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CN110944743A - 在晶圆上进行化学合成的系统和方法 - Google Patents

在晶圆上进行化学合成的系统和方法 Download PDF

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CN110944743A
CN110944743A CN201880049744.9A CN201880049744A CN110944743A CN 110944743 A CN110944743 A CN 110944743A CN 201880049744 A CN201880049744 A CN 201880049744A CN 110944743 A CN110944743 A CN 110944743A
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CN
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reaction
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菲利普·克洛诺哥拉克
格伦·麦克加尔
李博览
周巍
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Original Assignee
Centrillion Technology Holdings Corp
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Abstract

本发明提供晶片处理的方法、装置和系统。所述晶片处理装置使用盖子中的喷嘴将溶液分散到晶片表面。此外，晶圆片位于真空吸盘的顶部，并且当溶液通过表面张力分配到晶圆片表面时，晶圆片不会旋转，从而允许第一溶液与表面的试剂发生反应。此外，当分配第一溶液时，盖子和晶片之间的分离间隙处于预定的距离，例如，从约20微米到约2毫米。

Description

在晶圆上进行化学合成的系统和方法
交叉引用
本申请要求于2017年5月23日提交的美国临时专利申请No.62/509,840的权益，其通过引用整体并入本文。
背景介绍
用于分析和表征生物和生化材料的材料和系统的进步让我们对生命，健康，疾病和治疗机制有了更好的理解。例如，基因组测序可用于获得诊断，预后，生物技术和法医方面的生物医学信息。独特核酸序列的检测对于许多工作至关重要，包括鉴定微生物，诊断传染病，检测遗传异常，鉴定与各种癌症相关的生物标记，评估对某些疾病的遗传易感性以及评估患者对药物治疗的反应。因此，基于寡核苷酸的脱氧核糖核酸(DNA)微阵列可能成为大规模并行分析基因组序列和基因表达的有用工具。DNA微阵列当前的应用包括转录过程的整体分析，肿瘤临床病程的评估以及药物靶标的加速发现。制造这些基于寡核苷酸的DNA微阵列可能需要在固体表面上进行可靠的化学合成。
概述
本公开提供了用于在基底上使用小体积化学试剂自动高通量合成化学实体的方法，装置和系统。可用于例如在晶圆上合成寡核苷酸等应用中。
本公开的一个方面提供了一种用于处理晶圆的方法，该方法包括：(a)通过位于盖中的喷嘴将第一溶液分配到第一晶圆的第一表面上；(b)将第一溶液散布在第一表面上；(c)使第一溶液与第一表面上的第一试剂反应，从而形成第一产物；其中第一晶圆在(a)-(c)中不旋转。
在本文提供的方面的一些实施方案中，盖和第一晶圆之间的分离间隙的范围为约20μm至约2mm。在本文提供的方面的一些实施方案中，在(c)中形成第一产物是在由分离间隙形成的反应室内形成共价键。在本文提供的方面的一些实施方案中，在(b)中，散布用第一溶液基本上填充反应室。在本文提供的方面的一些实施方案中，第一溶液包含第一化学试剂和第二化学试剂。在本文提供的方面的一些实施方案中，第一溶液包含磷酸化试剂。
在本文提供的方面的一些实施方案中，该方法还包括在(c)之后：(d)通过喷嘴将第二溶液分配到第一表面上，从而将第二溶液散布在第一表面上，并使在第一表面上的第二试剂形成第二产物；在(d)中第一晶圆不旋转。在本文提供的方面的一些实施方案中，第二试剂是第一产物。在本文提供的方面的一些实施方案中，第二溶液包含第三化学试剂和第四化学试剂。
在本文提供的方面的一些实施方案中，该方法还包括在(c)之后：(d)将气体分散到第一表面上，在(d)中第一晶圆不旋转。在本文提供的方面的一些实施方式中，气体是惰性气体。在本文提供的方面的一些实施方式中，气体从喷嘴分散。
在本文提供的方面的一些实施方案中，(c)中的第一溶液和第一试剂之间的反应效率高于流通池中的相应反应。在本文提供的方面的一些实施方案中，(c)中的第一溶液和第一试剂之间的反应均匀性优于流通池中的相应反应。
在本文提供的方面的一些实施方案中，该方法还包括在(a)之前：(i)通过晶圆输送机器人将第一晶圆从第一位置移动到第二位置；以及(ii)将第一晶圆放置在第二位置的真空吸盘的顶部。在本文提供的方面的一些实施方案中，该方法还包括调节盖的支撑柱，从而使盖的底表面和第一晶圆的第一表面基本平行。在本文提供的方面的一些实施方案中，(i)中的移动包括在第一位置处从晶圆盒移除第一晶圆。在本文提供的方面的一些实施方案中，晶圆盒被配置为保持至少另一个晶圆。在本文提供的方面的一些实施方案中，该方法还包括将第一晶圆，喷嘴和盖封闭在惰性气体室内。
在本文提供的方面的一些实施方案中，第一试剂是结合至第一表面的官能团。在本文提供的方面的一些实施方案中，所述的官能团是羟基，氨基，羰基或羧基衍生物基团。
在本文提供的方面的一些实施方案中，该方法还包括在(c)之后：(d)从第二位置移除第一晶圆；(e)通过晶圆输送机器人将第二晶圆从第一位置移动到第二位置；以及(f)将第二晶圆放置在第二位置的真空吸盘的顶部。在本文提供的方面的一些实施方案中，该方法进一步包括在(f)之后：(g)通过喷嘴将第三溶液喷在第二晶圆的第二表面上，将第三溶液均匀散布在第二表面上，第三溶液在第二表面上与第三试剂反应，形成第三产物；在(g)中第二晶圆不旋转。
通过下面的详细描述，本公开的其他方面和优点对于本领域技术人员将变得显而易见，其中，仅示出和描述了本公开的示例性实施方式。将会认识到的是，本公开能够具有其他的和不同的实施方案，并且其若干细节能够在各种明显的方面进行修改，所有这些都不脱离本公开。因此，附图和描述本质上应被认为是说明性的，而不是限制性的。
通过引用合并
本说明书中提及的所有出版物，专利和专利申请都以相同的程度通过引用并入本文，就如同每个单独的出版物，专利或专利申请都被明确地并单独地指出，并通过引用并入一样。
附图说明
在所附权利要求中具体阐述了本发明的新颖特征。通过参考下面的详细说明，可以更好地理解本发明的特征和优点，以下详细说明阐述了说明性实施方案，在这些说明性实施方案中利用了本发明的原理及其附图：
图1是作为本公开的实施方案的晶圆处理设备100的透视图。
图2描绘了作为本公开的实施方案的晶圆处理设备的反应组件200的局部透视图。
图3示出了作为本公开的实施方案的晶圆处理设备的反应组件300的局部截面图。
图4示出了通过本公开中公开的方法获得的来自晶圆的荧光信号的示例图像分析。
图5是使用图4所示的图像分析方法记录在一个图像中的荧光信号的示例图。
图6是用于比较使用本公开的装置/系统/方法记录的荧光信号和使用流通池记录的荧光信号的条形图。
详细说明
尽管本文已经示出和描述了本发明的各种实施方案，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，这些实施方案仅以示例的方式提供。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员可以想到许多变化，改变和替代。应当理解，可以采用本文所述的本发明的实施方案的各种替代方案。
DNA序列微阵列或DNA芯片已成为生物学和生物医学科学中用于了解基因序列与其功能的相关性的有用工具。在某些情况下，含有表面结合的寡核苷酸或探针的DNA芯片可用于通过杂交的方法研究靶核酸序列。
当前制造脱氧核糖核酸(DNA)微阵列的方法包括用带销或喷墨打印机的机器人将DNA点到尼龙膜或载玻片上。这通常需要天然可用的DNA分子或其片段。当所需的DNA序列不是天然可用的时，可以以受控方式从头开始在阵列的固体表面上合成寡核苷酸。因此亟需制造过程简便，并且可以确保表面上合成的DNA探针保真性的系统，装置和方法，以在DNA芯片上合成天然或非天然的DNA序列。因此，允许在固体表面上进行受控化学合成的新系统和方法在生物医学和生物制药领域中是受人关注的。
从头合成的寡核苷酸的微阵列相对于其他类型的DNA微阵列具有许多优势，包括(i)杂交的受控特异性更高，这使其特别适用于单核苷酸多态性分析或突变分析；(ii)在解决有关转录组组成的问题，例如选择性剪接或选择性多聚腺苷酸转录的存在与否和所占比例时，具有更好的通用性；(iii)可以系统性地筛选整个基因组区域，以进行基因发现；(iv)可以在制造定制的微阵列时产生独立于生物样品的序列信息。
然而，由于在寡核苷酸合成中存在对空气和/或水分敏感的试剂，制造定制的寡核苷酸微阵列可能需要惰性和受控的环境。此外，在固体表面上的化学合成可能需要使用大量的这种对空气和/或湿度敏感的试剂，这可能会增加制造成本或延长晶圆制造的平均周转时间。最后，由于寡核苷酸合成需要使用不同的试剂重复进行类似的合成操作，因此试剂残留物的污染可能会带来问题。
经过大量的实验，申请人发现了一种制造带有从头合成的寡核苷酸的晶圆的系统和方法。另外，新的系统和方法可以允许晶圆的自动化高通量制造，并可减少所使用的化学试剂的体积/数量。
如本文中所使用的，除非上下文另外明确指出，单数形式的“一个”，“一种”和“该”包括复数形式的意义。
如本文所用，术语“片段”通常是指特定区域的原始DNA序列或RNA序列的一部分。
如本文所用，术语“核苷酸”通常是指可以充当例如脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)的核酸的单体或亚基的分子。核苷酸可以是脱氧核苷酸三磷酸酯(dNTP)或其类似物，例如，在磷酸酯链中具有多个磷酸酯的分子，例如2、3、4、5、6、7、8、9或10个磷酸酯。核苷酸通常可以包括腺苷(A)，胞嘧啶(C)，鸟嘌呤(G)，胸腺嘧啶(T)和尿嘧啶(U)或其变体。核苷酸可以包括可以掺入正在生长的核酸链中的任何亚基。此类亚基可以是A，C，G，T或U，或与一个或多个A，C，G，T或U互补的任何其他亚基，或与嘌呤(即A或G，或其变体)或嘧啶(即C，T或U或其变体)互补的任何其他亚基。亚基可以使单个核酸碱基或碱基组(例如，AA，TA，AT，GC，CG，CT，TC，GT，TG，AC，CA或其尿嘧啶对应物)被解析。核苷酸可以是被标记的或未被标记的。被标记的核苷酸可以产生可检测的信号，例如光学，静电或电化学信号。
如本文所用，术语“约”或“接近”通常是指在指定量的+/-15％，10％，9％，8％，7％，6％，5％，4％，3％，2％，1％之内。
如本文所使用的所有近似词应被解释为意指“近似”，而不是“完美”，并且因此可以被用作对任何其他词，如参数，数量，质量或概念的有意义的修饰语。近似词包括但不限于诸如“基本上”，“几乎”，“几乎”，“约”，“通常”，“大部分”，“基本上”，“基本上”，“近似”等。例如，词语“基本上”，包括“合理地接近：几乎，几乎，约”，是近似词。当在本公开中描述用溶液或试剂填充反应室时，短语“基本上填充反应室”通常是指填充反应室体积的至少90％，至少91％，至少92％，至少93％，至少94％，至少95％，至少96％，至少97％，至少98％或至少99％。
如本文所用，术语“多核苷酸”，“寡核苷酸”，“核苷酸”，“核酸”和“核酸分子”通常是指各种长度的核苷酸的聚合形式(多核苷酸)，可以是核糖核苷酸(RNA)，或脱氧核糖核苷酸(DNA)。核苷酸序列的实例是对应于天然或合成的RNA或DNA包括基因组DNA和信使RNA的序列。序列的长度可以是可扩增为核酸扩增产物或扩增子的任何长度，例如，长度最多为约20、50、100、200、300、400、500、600、700、800、1,000、1,200、1,500、2,000、5,000、10,000或大于10,000个核苷酸，或至少为约20、50、100、200、300、400、500、600、700、800、1,000、1,200、1,500、2,000、5,000、10,000或大于10,000个核苷酸。
当在描述设备，系统，传感器，样品室等时，本文使用的术语“阵列”通常是指一维或二维微结构集。阵列可以是任何形状。例如，阵列可以是排列成一条线的一系列微结构，例如正方形构成的阵列。阵列可以布置成正方形或矩形网格。阵列的某些部分与其他部分之间可能用空间隔开。阵列可以具有其他形状。例如，阵列可以是布置为一系列同心圆，一系列同心正方形，一系列同心三角形，一系列曲线等结构中的一系列微结构。阵列中各部分之间或微结构之间的间距可以是规则的，也可以在中各特定部分之间或特定对微结构之间是不同的。本公开的微结构阵列可以由具有零维，一维或二维形状的微结构组成。具有二维形状的微结构可以具有诸如正方形，矩形，圆形，平行四边形，五边形，六边形，不规则形状等形状。
如本文所用，术语“板”和“基底”通常是指其表面用于合成寡核苷酸或进行化学反应的组件的固体部分。
本文所公开的“薄膜”的特征，通常是指一层流动相，溶液或液体通过表面张力和/或对表面的粘附作用而分布在一个板的表面上。在某些情况下，薄膜是一个维度上的扩散时间不超过其他任何维度的约四倍，约三倍，约两倍，约一倍的液体样品。在某些情况下，薄膜样品在一个维度的热传导特性不大于其他任何维度的约四倍，约三倍，约两倍，约一倍。
如本文所使用的术语“处理器”通常是指具有相关联的存储器的个人计算机。处理器将具有足够的瞬态RAM存储器，非瞬态存储存储器，处理能力和硬件(例如接口卡)，以运行相关的控制软件，交互并操作设备的自动化组件(例如各种泵，电动机，阀门，传感器和检测器)，并记录来自传感器，探针和检测器的值。
如本文中所使用的，术语“晶圆”通常是指板，基底或半导体芯片。晶圆可以是圆形的。晶圆的直径可以是例如约50mm，约100mm，约150mm，约200mm，约250mm或其他长度。另外，晶圆可在其表面上包括SiO2层。SiO2层的厚度可以是约20nm，约30nm，约40nm，约50nm，约55nm，约60nm，约65nm，约70nm，约75nm，约80nm，约100nm，或大于100nm。晶圆表面上可以包括有机聚合物层。晶圆可包含用于附着或反应的表面羟基。
如本文所用，术语“羧基衍生物”通常是指包含酰基并且可以与另一种包含羟基或氨基的试剂形成酯键或酰胺键的官能团。羧基衍生物的实例包括羧酸，酰基卤，酸酐，酯，硫酯和酰基磷酸酯。
如本文所用，术语“磷酸化试剂”通常是指能够将磷酸基团或亚磷酸酯基团引入另一个分子的化学试剂或化学试剂的混合物。磷酸化试剂的一个实例是亚磷酰胺试剂，其可以与包含羟基的核苷单体或寡核苷酸反应以产生亚磷酸三酯，其随后将被氧化成核苷单体或寡核苷酸的磷酸三酯。
设备和方法
本公开提供了使得能够在板的表面上制造寡核苷酸或其他有机分子的阵列的方法，装置和系统。本公开的方法，设备和系统可以包括的组件，包括但不限于：
1.晶圆盒，其可以容纳多个晶圆。晶圆可以被放入晶圆盒，或从晶圆盒被取出。
2.晶圆输送机器人，其可以从第一晶圆盒中取出特定的晶圆，并将该晶圆传送到至少一个预定位置，并根据需要将晶圆放置在第二晶圆盒中或者第一晶圆上。晶圆输送机器人可包括至少一个马达，至少一个可移动臂以及附接到一个臂的端部的晶圆固定器。晶圆输送机器人可以借助电动机进行水平和垂直移动。
3.真空吸盘，可以是用于在化学合成过程中固定晶圆的真空吸盘。它可以包括至少两个侧臂，至少三个侧臂或至少四个侧臂，以便于将晶圆定位在真空吸盘的顶部。真空吸盘的形式可以不受限制，只要吸盘可以通过真空泵的机构真空吸住并固定住需要固定的物体即可。
4.盖子，其可以通过电动机升高或降低到特定高度。盖子可以具有至少一个连接到电动机或由电动机控制的臂的支撑柱。该至少一个支撑柱可以手动或机械调节，使得盖子可以移动到相对于下方的晶圆的选定位置。盖子可以是盘形的。盖子的底表面可以面对真空吸盘上的晶圆的顶表面，并且当降低盖子时可以基本上覆盖晶圆的顶表面。盖子可以通过一条经过晶圆表面的中心并垂直于晶圆表面的垂直轴与晶圆对齐。在盖子的中间可以是喷嘴，用于将溶液或试剂受控地输送到晶圆的顶表面。试剂可以是溶液，液体或气体形式。溶液/试剂的输送可以通过压缩空气或泵来促进。待输送的溶液/试剂的量和顺序以及输送速率可以由外部控制器，例如计算机或微处理器来控制。晶圆处理设备可以进一步包括用于容纳溶液/试剂的多个容器，其中喷嘴与每个容器流体连通并且可操作地相关联，使得喷嘴可以选择性地并且按照一定顺序分配一定量的试剂/溶液。溶液/试剂可以通过盖子顶部的导管或管子转移到喷嘴。喷嘴可以在盖子和基底的顶表面之间吹入气体(即，空气，氮气，其他惰性气体或惰性气体的混合物)，从而通过将试剂推离基底的边缘去除残留在基底表面上的多余试剂，使顶面干燥和/或将盖子的底面与基底的顶面分开。盖子的直径可以约是其覆盖的晶圆的直径，长于晶圆的直径，或短于晶圆的直径。
6.反应室，即盖的底表面和晶圆的顶表面之间的空间，或“间隙”的空间。如本文所用，术语“间隙”通常是指由盖的底表面，晶圆的顶表面，以及由盖的底表面的和晶圆的顶表面的圆周所定义的假想的弯曲侧面所包围的基本上为圆柱形的空间。间隙距离可以是盖的底表面和晶圆的顶表面之间的垂直距离。间隙距离可以通过调节至少一个支撑柱来控制，并且间隙距离的范围可以是约20μm至约2.0mm。间隙距离可以是约20μm，约30μm，约40μm，约50μm，约60μm，约70μm，约80μm，约90μm，约100μm，约110μm，约120μm，约130μm，约140μm，约150μm，约160μm，约170μm，约180μm，约190μm，约200μm，约210μm，约220μm，约230μm，约240μm，约250μm，约260μm，约270μm，约280μm，约290μm，约300μm，约400μm，约500μm，约600μm，约700μm，约800μm，约900μm，约1mm，约1.1mm，约1.2mm，约1.3mm，约1.4mm，约1.5mm，约1.6mm，约1.7mm，约1.8mm，约1.9mm，约2.0mm。
由于两个前述表面之间的间隙距离较小，反应室可以是半封闭的。可以控制间隙距离，以允许通过盖子中的喷嘴输送的溶液散布和混合。例如，如果间隙距离太大，则由于溶液/试剂的重力，分散在晶圆表面上的溶液/试剂可能从表面流出。另一方面，如果间隙距离太小，则可能没有足够的体积用于发生表面反应，或者可能减慢试剂/溶液的扩散速度。被散布的试剂的浓度可以根据所选反应室的体积而变化。反应室可以包括水性或有机环境，在该环境中可以存在从喷嘴引入的多种试剂。多种试剂可以彼此反应或与由先前反应形成的中间产物反应。例如，新输送到晶圆表面上的试剂可以与附着在晶圆表面上的官能团反应。新递送的试剂可与停留在晶圆表面上的先前递送的试剂反应。可选地，可将盖，晶圆和真空吸盘放置在充满惰性气体，例如氮气，氩气或其他稀有气体或其混合物的受控气体室或惰性气体室内。另外，受控气体室或惰性气体室可以具有用于惰性气体出入的入口和出口，从而可以在受控气体室中保持恒定的气流以包围反应室，从而空气敏感或湿度敏感反应可以在反应室内发生。
另外，该设备可以包括计算机系统，以控制例如试剂的输送，设备的部件的移动以及设备的其他操作。
该设备的部件可以由不锈钢，铝，有色合金，特氟隆，高密度聚乙烯(HDPE)或本领域普通技术人员理解的任何其他材料制成。在特定的应用中，所使用的材料可取决于溶液的酸碱度，盐度，温度或其他化学或物理性质，以及防止污染的能力和在化学反应之间进行适当清洁的能力。
本公开的方法，装置和系统可以采用组装在一起的上述部件的变体来创建一个能够制造晶圆并在晶圆的表面上进行表面化学反应的系统。
一般方法
除非另有说明，否则本公开采用在光刻，化学蚀刻，通用加工，微流控，有机化学，生物化学，寡核苷酸合成和修饰，核酸杂交，分子生物学，微生物学，遗传分析，重组DNA，以及本领域技术范围内的相关领域的常见技术。这些技术在本文引用的参考文献中进行了描述，并在文献中进行了充分说明。参见，例如，Maniatis，Fritsch和Sambrook，《分子克隆：实验室手册》，冷泉港实验室出版社(1982)；和Sambrook，Fritsch和Maniatis，《分子克隆：实验室手册，第二版》，冷泉港实验室出版社(1989)；Ausubel等人，《分子生物学最新方法》，约翰·威利父子(John Wiley&Sons)(1987年出版，年度更新)；Gait编，《寡核苷酸合成：一种实用方法》，IRL出版社(1984)；Eckstein编，《寡核苷酸和类似物：一种实用方法》，IRL出版社(1991)；Birren等编《基因组分析：实验室手册》，冷泉港实验室出版社，1999年。
实施例
下面将参考附图描述根据本公开的晶圆处理设备的系统和方法。
图1是示出根据本公开的第一实施方案的晶圆处理设备100的总体结构的透视图。如图1所示，晶圆输送机器人16可以包括第一机器人机构14和晶圆固定器18。晶圆输送机器人16可以在极坐标系统上并且布置在基座10的顶表面上。晶圆盒12A和12B以及真空吸盘22可以径向地布置在晶圆输送机器人16周围。晶圆盒12A和12B以及真空吸盘22可以布置在晶圆可以被晶圆输送机器人16放入和取出晶圆盒12A和12B的范围内，并放置在真空吸盘22的顶部。
晶圆盒12A和12B可以在晶圆处理之前和之后容纳多个晶圆。第一机器人机构14能够垂直和水平移动，从而能够通过晶圆输送机器人16将晶圆搬入和搬出晶圆盒12A，12B，并放置在真空吸盘22的顶部。真空吸盘22可以包括侧臂24，使得当通过晶圆固定器18将晶圆放置在真空吸盘22上时，晶圆可以在真空吸盘22上居中。通过真空吸盘22施加的真空可以将晶圆保持在适当位置，并使晶圆与移动的真空吸盘22一起移动。真空吸盘22可以位于支撑轴20的顶部。支撑轴可以可选地垂直移动以调整晶圆的高度。
在真空吸盘22的正上方可以是盖子26。盖子26可以是平盘形状。盖26的底表面可以面对真空吸盘22上的晶圆的顶表面，并且当盖子26下降到进行化学合成的位置时可以基本上覆盖晶圆的顶表面。在某些情况下，盖子26可以沿着晶圆表面的中心并垂直于晶圆表面的垂直轴与晶圆对准。晶圆可以是圆形的。在某些情况下，可以有两个支撑盖子26的支撑柱28A和28B。在其他情况下，可以由两个以上的支撑柱28支持盖子26。两个支撑柱28A和28B可以通过侧臂32A和32B与壁部分34连接。侧臂32A和32B可以在机器人/电动机的帮助下垂直和/或水平移动。
晶圆处理设备的操作可以开始于由晶圆输送机器人16经由晶圆固定器18从晶圆盒12A取出一个晶圆。然后，晶圆输送机器人16可以将晶圆放置在真空吸盘22顶部。可以将真空施加到晶圆的底表面上，以使晶圆的底表面被真空吸附到真空吸盘22上。在将晶圆固定在真空吸盘上之后，可以在反应室中开始在晶圆的顶表面上进行化学合成的步骤。
现在转向图2，图2示出了根据本公开的另一实施方案的反应组件200的局部透视图。盖226可通过支撑柱228A，228B和228C垂直或水平地移动，并且可选地，可通过马达在水平面上移动。在某些情况下，支撑柱228可以是调节螺钉。盖子226可以是透明的，从而可以用肉眼或仪器检查在盖子226正下方的晶圆250。晶圆250可以放置在真空吸盘(未示出)上。真空吸盘可以被配置为支撑并固定晶圆250。真空吸盘可以与轴220接合，该轴可以使真空吸盘垂直地移动。如图2所示，盖子226通过在晶圆250的表面的中心并垂直于晶圆250的表面的垂直轴与晶圆250对准。晶圆250和盖子226的底表面是圆形的。在盖子226的中央可以有孔260，通过该孔可以插入喷嘴和/或入口管，以便以受控的方式在晶圆250的顶表面上分配至少一种试剂或溶液。另外，第一悬挂框架262可以与支撑柱228和盖子226两者接合。第二悬挂框架264可以与固定支撑柱228接合。
参照图3，盖子和真空吸盘的相对布局被进一步描绘为根据本公开的另一实施方案的反应组件300。在盖子326的中心可以有一个喷嘴352，用于将试剂控制地输送到晶圆350的顶表面，该喷嘴由真空吸盘322支撑和固定。盖子326可以在支撑柱328A和328B的帮助下垂直移动，并且可选的可以通过另一个电动机在水平面上移动。真空吸盘322可位于支撑轴320上并由其控制。
当晶圆350不旋转时或当晶圆350相对于盖子326保持静止时，试剂可以通过盖子326顶部的导管或管330转移到喷嘴352。导管或管330可以以预定的速率和预定的量传输气体，液体或溶液。可以在不同试剂的输送之间对导管或管330进行清洗或气体干燥，从而减少导管或管330内的试剂的污染。试剂的输送可以是气动的，也可以是泵控制的。待输送的试剂的量和顺序以及输送速率可以由外部控制器，例如计算机或微处理器来控制。
当使用气体来输送试剂时，该气体可以是惰性气体，例如氮气，氩气或另外的稀有气体，或其混合物。使用惰性气体来输送试剂的其他附加优点可以包括：在试剂输送之间使用惰性气体通过来干燥导管或管330；在试剂输送之间保护对空气或湿气敏感的试剂；在化学合成期间，在晶圆350的顶表面上保持惰性气体的正压；在化学反应结束时，通过蒸发或通过将试剂推出晶圆350的边缘来从晶圆350的表面除去多余的试剂。当气体在晶圆350的表面上方吹扫时，晶圆350不旋转，或者晶圆350可以相对于盖子326保持静止。
当降低盖子326时，可以控制盖子326的底表面与晶圆350的顶表面之间的间隙距离d。晶圆350的顶表面与盖子326的底表面之间的间隙距离的范围为约20μm至约2mm。盖子326的直径可以与其覆盖的晶圆350的直径相同，大于晶圆350的直径，或者小于晶圆350的直径。在某些情况下，盖子326的直径可以比晶圆350的直径大。晶圆350的直径可以是例如约50mm，约100mm，约150mm，约200mm，约250mm或其他长度。
可以以受控方式将气体，液体或溶液形式的试剂引入导管或管330中。当晶圆350不旋转或当晶圆350相对于盖子326静止时，喷嘴352可以将试剂输送到晶圆350的顶表面上。当晶圆350不旋转或当晶圆350相对于盖子326静止时，液体试剂可以通过毛细作用或表面张力扩散。可以基于反应室的体积或间隙的体积来计算或估计所递送的试剂的量，每种试剂量可以取决于间隙距离。当在本公开中描述用溶液或试剂填充反应室时，短语“基本上填充反应室”通常是指填充反应室体积的至少90％，至少91％，至少92％，至少93％，至少94％，至少95％，至少96％，至少97％，至少98％或至少99％。反应室基本上充满的一个好处是可以减少在晶圆表面上的反应阶段期间反应室中空气/气体的死体积，从而可以控制或避免不必要的副反应，例如与氧气或水分的反应。换句话说，根据反应和副反应的类型以及晶圆上产物的要求，“基本上填充反应室”可以将上述副反应的作用降低到可接受的水平。
在反应室已基本充满第一溶液/试剂或完全充满第一溶液/试剂之后，晶圆350可保持静止至少30秒，至少40秒，至少50秒，至少60秒，至少70秒，至少80秒，至少90秒，至少100秒，至少120秒，至少3分钟，至少4分钟，至少5分钟或更长时间，以允许在下一次开始输送第二种溶液/试剂之前，使溶液/试剂与彼此反应，或与先前在反应室内形成的其他产物发生反应。所输送的溶液/试剂可以形成基本平坦的表面，例如形成薄膜。图3中具有细箭头的一系列箭头，可以示出导管或管330和喷嘴352中的试剂的大致方向，以及试剂被递送到晶圆350的顶表面上后由于毛细管力或表面张力的流动模式的方向。在某些情况下，输送的溶液可以包含一种试剂。在其他情况下，所输送的溶液可以包含至少两种试剂。
在晶圆的化学处理完成之后，可以通过连续的惰性气流来干燥晶圆。当晶圆足够干燥时，如图1所示，可以消除由真空吸盘22施加的真空。然后，晶圆输送机器人16可以将处理后的晶圆从真空吸盘22的顶部移至晶圆盒12B的内部以进行存储。最后，晶圆输送机器人16可以准备从晶圆盒12A中移出另一晶圆以进行另一轮晶圆处理。
如上所述，已经公开了一种机器操作系统，以根据公开的方法以最小的用户干预来实现晶圆的自动化高通量制造。可替代地，晶圆输送机器人可以被用于晶圆输送任务的晶圆轨道代替。
此外，独立控制的经由盖子的化学物质输送系统可以用于将不同的化学溶液/试剂输送到晶圆表面的中心。表面反应多余的热量或气态副产物可能会通过惰性气体连续流(通过化学传输系统或通过单独的气体入口/出口系统)而分散。
在一个实施方案中，盖可以具有与盖下方的晶圆约相同的直径，使得盖的底表面和晶圆的顶表面可以在两个表面之间形成半封闭的反应室。在半封闭的反应室内可能发生化学反应。如图3所示，两个表面之间的间隙距离可以由符号“d”表示。反应室的体积可以通过晶圆的表面积乘以两个表面之间的分离间隙来估算：体积＝A晶圆×d间隙，其中A晶圆可以是晶圆的表面积，而d间隙可以是两个表面之间的距离。根据本公开，因为该晶圆可以容纳如此体积的每种溶液/试剂，所以该体积可以被认为是晶圆表面上的化学过程中的试剂的体积。例如，如果晶圆的直径为约150mm，并且分离间隙为约0.5mm，则半封闭反应室的体积可以为约8mL。该反应室的体积与用于聚合物抗蚀剂显影(polymer resist development)的液滴系统(puddle drop system)的试剂体积相比可能有所减少。在液滴系统中，所用试剂的量可由表面张力引起的弯液面确定。此外，如果所使用的试剂是挥发性的或对周围空气或水分敏感，例如在使用磷酰胺试剂时，根据本公开，半封闭反应室可最小化蒸发和减少污染，因为晶圆顶部反应室内溶液/试剂薄膜层的外缘可能与周围空气或惰性气体接触，但试剂/溶液的其他表面可能不与周围空气或惰性气体接触。试剂的暴露表面可以是：暴露面积＝π×d晶圆×d间隙，其中d晶圆是晶圆的直径。此暴露面积可能比没有盖子或覆盖物靠近晶圆的情况下小得多，因为当本公开的盖子存在时，本公开的晶圆片上的薄膜顶表面可能不会暴露于环境空气中。
在某些情况下，分配在晶圆表面上的试剂可透过毛细管作用或表面张力渗透到反应室中并覆盖晶圆表面，从而提高试剂在晶圆表面上的分布均匀性。另外，液体在盖子的固定底表面的运动可以提供一些试剂混合。可替代地，可以在盖子的底表面上添加浮雕图案，或者可以将超声模块添加到反应室中，从而可以改善试剂混合。
试剂在晶圆的顶表面上的均匀分布程度对于化学处理后的晶圆质量可能至关重要。试剂分布的均匀度可能与各种因素有关，其中在某种程度上，包围反应室的装置的结构可以决定分布的均匀度。例如，对于本公开中公开的反应室，如果盖子的底表面和晶圆的顶表面保持基本平行，并且在将两种以上试剂的溶液分配到顶表面上之前已经彻底混合了以上两种试剂的溶液，那么分布的均匀程度可能很高，因为如此形成的反应室充满的溶液中，各种试剂在到达盖子的喷嘴口之前就已经充分的混合。由于反应室的体积小，并且存在与分散的溶液/试剂相关的表面张力/毛细作用，因此溶液/试剂一旦分散在晶圆顶面上，可能会沿着晶圆的径向方向横向扩散，从而实现溶液/试剂在晶圆顶面上的均匀分布。
另外，均匀分布的试剂可以提高分布的试剂之间的反应效率。例如，当在晶圆的化学处理中需要依次进行几个反应时，反应的总产率可能取决于或受每个步骤中试剂分布的均匀性的影响。试剂的不均匀分布可能导致试剂的浪费，从某种意义上说，一种试剂可能比另一种试剂局部浓缩或稀释得更多，从而每种试剂最终都有一部分未反应。在每个步骤中，这些未反应的试剂都可能降低总化学过程的整体产率。
此外，由于当溶液/试剂被分配在晶圆的顶表面上方时晶圆相对于盖保持静止，因此将溶液/试剂推到晶圆的边缘的力可能是通过喷嘴添加更多的溶液/试剂。当喷嘴停止分配溶液/试剂时，晶圆中心可能没有力将溶液/试剂推向边缘附近。重力可能会在边缘附近造成一些材料损失。但是由于反应室的间隙距离很小，表面张力可能使溶液/试剂保留在反应室中。作为结果，可能需要/使用更少的溶液/试剂，因为与其他过程相比，在本公开中被推出晶圆边缘的溶液/试剂的“浪费”比例可能更少。此外，可以通过使用处理器或计算机来控制晶圆的移动和溶液/试剂的分配等来使本公开的设备/系统完全自动化。这些特征可能优于其他设备/系统/方法，例如，在流通池反应器中进行化学合成，其使溶液/试剂流过相应的反应室；或在微孔微阵列板上进行化学合成，其需要在DNA合成之前在板上构建微孔。
在某些情况下，可能没有所输送的化学品的出口。多余的化学物质可以通过输送下一种化学试剂而从边缘推下，或者通过注入惰性处理气体推动，或者通过使用上述方法的任意组合。此外，通过过程优化控制添加的反应物量或在真空吸盘下方添加化学废物收集部分的设计可以防止用过的或丢弃的化学物质滴落到晶片的底面上。另外，可以在图1的基座10处增加额外的出口，以去除在旋转中掉落的或丢弃的化学物质。类似地，在晶片处理完成时，可以在两个表面之间的更宽的预定分离间隙下对晶片进行惰性气体干燥，或在高温下干燥，或上述的组合。或者，可以将出口管插入的盖子中，该管独立于喷嘴和连接在喷嘴上用于输送试剂的入口管。出口管可以被设置为以受控方式(例如，在预定的反应时间之后)吸出过量的试剂，用完的试剂或以液体形式保留的试剂，并将吸出的试剂运送到废物容器。例如，可以对盖子中的出口管施加真空，以吸收试剂。然后，下一个试剂可以通过盖子上的入口管和喷嘴输送，以填充反应室。
在一些情况下，在干燥盖子的底表面或添加溶液/试剂用于下一步骤之前，可以将洗涤溶液/溶剂流通过分离间隙以清洗盖子。这可以确保最小化工艺步骤之间的污染或试剂的交叉污染。
在某些情况下，对于本公开内容的寡核苷酸合成应用，可以使用3/16英寸的ODFEP软管将试剂输送到玻璃盖上，这两种试剂均对寡核苷酸合成中使用的溶剂呈惰性。此外，作为示例，当将试剂输送到直径为约150mm的晶圆的顶表面时，可以使用约0.5mm的分离间隙，这样约8毫升的试剂体积可以填充由盖子底表面和晶圆顶表面确定的反应室。所有化学试剂的操作都可以由外部寡核苷酸合成器或事件管理系统控制，其可以与反应室通信以执行特定任务，包括但不限于设置间隙距离，每种试剂的量和输送速度，惰性气体的流量和持续时间等。
在一些情况下，用作化学处理的一部分的溶剂可以包括但不限于：去离子水，乙腈(ACN)，三氯甲烷(TCM)和THF。该晶圆可以是玻璃晶圆。盖子可以是玻璃盖。分配器的形状可以包括但不限于：圆形和正方形。
在某些情况下，在化学过程中添加溶液/试剂之前，可以手动，机械地或自动地调节盖子的支撑柱，以使晶圆和盖子的相对表面平行，且使晶圆顶部的玻璃盖居中于晶圆的中心轴。
可将光裂解基团(PCG)置于亚磷酰胺试剂的5'-OH基团上。例如，化学式I化合物可用于本发明公开的寡核苷酸合成方法中：
Figure BDA0002378536250000181
其中PCG是可光裂解的基团；X是H(用于DNA合成)或受保护的2'-羟基(用于RNA合成)；碱基是核酸碱基或核碱基，包括但不限于：腺嘌呤(A)，胞嘧啶(C)，鸟嘌呤(G)，胸腺嘧啶(T)和尿嘧啶(U)或其类似物；PG为无基团或为碱基上反应性基团(例如，N原子或O原子)的保护基团。特别地，PG可包括但不限于N-苯甲酰基(Bz)，N-乙酰基(Ac)，N-异丁酰基(iBu)，N-苯氧基乙酰基(PAC)和N-叔丁基苯氧基乙酰基(tBPAC)。此外，PCG可包括但不限于5'-(α-甲基-2-硝基胡椒基(nitropiperonyl))氧羰基(MeNPOC)，2-(2-硝基苯基)丙氧羰基(NPPOC)，二甲氧基苯并碳酸酯(DMBOC)和噻吩-2-(2-硝基苯基)-丙氧羰基(SPh-NPPOC)，其结构如下所示：
Figure BDA0002378536250000182
实施例1:探针构建
以下是描述如何使用本公开的设备/系统/方法来构建探针的示例。
(1)表面处理可以对基底进行表面改性以产生伯醇。可以使用先前描述的多种方法中的任何一种(例如，参见美国专利号5,959,098–“基底制备过程”；J.Am.Chem.Soc.1997,119(22),5081–“玻璃基底上的DNA阵列的光导合成的效率”美国专利号6,262,216–“功能化的硅化合物及其合成和使用方法”；美国专利号8,105,821–“硅烷混合物”；美国专利公开号2013165350A1–“用于阵列合成的表面链接器”)。例如，可以通过用包含N-(2-羟乙基)-N，N，-双(3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基)胺和N-(2-氰基乙基)--N，N，-双(3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基)胺的混合物的乙醇溶液(比例为约1：0至约1:20，总硅烷浓度为1-10％w/v)处理1-8小时来对基底进行硅烷化。硅烷化后，可以用乙醇，水冲洗硅烷化的基底，最后干燥。如此，基底已准备好进行阵列合成。在某些情况下，基底可以是硅，该硅已经被氧化或沉积在表面上的65nm SiO2层硅烷化。也可以使用其他基底，例如具有合适伯醇基础层的熔融二氧化硅。如此获得的表面伯醇可提供锚固点以附接至六甘醇(HEG)接头。
(2)HEG连接可以组装DNA“芯片制造器”以在基底上进行表面化学反应。例如，可以将基底放置本公开的设备/系统，该设备/系统可以连接到自动寡核苷酸合成仪(用本公开的设备/系统代替合成器的常规反应柱之后)。然后，可以使用标准固相寡核苷酸合成方案将试剂按顺序添加到基底表面。加入的试剂可包括但不限于接头，例如插入六甘醇(HEG)接头的试剂，5'-DMT保护的3'-O-亚磷酰胺(DMT为4,4'-二甲氧基三苯甲基)，或5'-PCG保护的3'-O-亚磷酰胺，荧光团连接的亚磷酰胺，偶联活化剂(例如在乙腈中的0.5M四唑)或氧化剂(例如在乙腈/吡啶/水(7：1：2，v/v/v)中的0.05M碘)等。之后可以使用溶剂进行洗涤，或者使用三氯乙酸，二氯乙酸或其他溶剂(例如二氯甲烷)中的酸进行DMT脱保护步骤以暴露5'醇基团，或对PCG基团在另一台机器上使用光刻掩模下的光辐射进行去保护的步骤。参见，例如，J.Am.Chem.Soc.1997,119(22),5081–“在玻璃基底上进行光定向合成DNA阵列的效率”，Methods in Molecular Biology,2001,170,71,Rampal JB编辑。–“高密度寡核苷酸阵列的光刻合成；”Current Protocols in Nucleic Acid Chemistry 2005,12:12.5.1–12.5.10–“通过光控原位合成制备DNA微阵列。”这样，DNA序列可以附着在晶圆表面上。
自动化DNA合成仪的例子可以是，例如Eppendorf D200自动化合成仪，AmershamPharmacia OligoPilot II，PE Biosystem ABI 3948，Expedite 8909或MerMade寡核苷酸合成仪。使用DNA“芯片制造器”可以将步骤(1)中获得的带有表面伯醇的硅烷化基底用表面改性剂进行处理，例如18-O-二甲氧基三苯甲基六乙二醇，1-[((2-氰基乙基)-(N，N-二异丙基]]-亚磷酰胺(美国弗吉尼亚州Glen Research Corp.)，然后氧化生成磷酸酯并去除DMT保护基，从而将HEG接头的磷酸二酯端连接到硅烷化基底的表面，而在HEG接头的另一端保留未反应的伯醇。
在使用根据本公开的设备/系统进行的所有基于DNA合成器的表面化学中，当基底不旋转时或当基底相对于盖子保持静止时，溶液/试剂可以通过喷嘴添加到基底的顶表面。
(3)寡核苷酸合成使用DNA“芯片制造器”，可以将单个PCG保护的核苷酸或DMT保护的核苷酸添加到基底上的伯醇上，具体取决于实验的需要。例如，遵循标准的DNA自动合成方案并使用DMT-核苷亚磷酰胺试剂，可以将DMT保护的核苷酸顺序添加到基底上的伯醇中，以最终提供特定的DNA序列。当需要光化学附接时，可以将PCG-核苷亚磷酰胺，例如化学式I的化合物，添加到HEG接头或先前合成的DNA序列中。例如，可以将其中碱基为胸腺嘧啶，PG为无基团，PCG为MeNPOC的化学式I化合物作为最后一个核苷酸添加到基底上HEG连接的DNA序列中。
(4)光裂解可以将步骤(3)中获得的包含PCG保护的DNA序列的基底从DNA“芯片制造器”中取出，并转移到用于光刻处理的设备中。可以在合适的掩模对准器(例如，ABM掩模对准器(ABM，Inc.，加州硅谷))中以光刻掩模直接以合适的剂量(例如，约720mJ/cm2，365nm)对基底成像)。当被光辐射时，某些PCG基团可能在溶剂/基底存在下被除去。当光辐射时，某些PCG基团可能不需要溶剂/基底。最后，DNA序列上的5'-OH基团可用于附着荧光标记。
(5)荧光团附着可将PCG基团已从5'位置除去的基底放回DNA“芯片制造器”。使用DNA“芯片制造器”，DNA序列上的游离5'OH基团可以与带有荧光团的亚磷酰胺，或带有荧光团的亚磷酰胺和DMT-核苷亚磷酰胺的混合物反应。例如，当使用5'-荧光素亚磷酰胺(6-(3'，6'-二新戊酰基荧光素-6-羧酰胺基)-己基-1-O-(2-氰基乙基)-(N，N-二异丙基)-亚磷酰胺，5'-荧光素CEP，BA 0054，Berry and Associates)时，通过在50mM的5'-DMT-胸腺嘧啶亚磷酰胺在乙腈中的溶液中将5'-荧光素CEP稀释至2.5mM，可得到5'-荧光素亚磷酰胺与5'-DMT-胸腺嘧啶亚磷酸酯的摩尔比约为1:20。然后可以遵循标准的DNA自动合成步骤，将荧光素标记附着在基底上的DNA序列上，然后进行氧化以生成磷酸盐。此处也可以附着其他的荧光标记。
(6)脱保护合成的受保护寡核苷酸可通过用50％的乙二胺水溶液(v：v)中处理受保护的寡核苷酸约3小时，并在去离子水中漂洗然后干燥来完成最终脱保护。
(7)成像可以通过共聚焦显微镜，芯片读取器，生物芯片扫描仪或微阵列读取器收集所有荧光数据和图像。例如，可以通过，使用适当波长作为激发源，并在光电倍增管前安装适当的带通滤光片的Bio-Rad MRC-1024激光扫描共聚焦显微镜(Bio-RadLaboratories，加州Hercules)观察基底上荧光团(例如荧光素)的发射光。可以使用图像帧的直接模式和/或时域卡尔曼滤波来获取图像。在某些情况下，可以通过KEYENCE显微镜(KEYENCE美国公司，伊塔斯卡，伊利诺伊州)拍摄图像。在某些情况下，可以在荧光素激发/发射通道中的干燥基底上进行荧光成像。在高分辨率模式下，每个图像可能允许曝光约1秒钟。所有要分析的图像都可以40倍的放大倍率拍摄。在溶液/试剂分散到晶圆的表面上之后，毛细作用力将溶液/试剂散布在晶圆的表面上。在某些情况下，在添加溶液/试剂期间不需要晶圆旋转。在某些情况下，溶液/试剂的额外添加至少在完成溶液/试剂的添加之后80秒发生。
实施例2:使用流通池构建探针
修饰实施例1中的相同的过程以使用流动池代替本公开中用于探针构造的装置/系统。流通池可以根据公开的程序来构造，例如在美国专利号8,241,573和8,778,849中公开的程序。除非另有明确说明，否则寡核苷酸合成条件，例如反应时间，温度，试剂浓度等，可以保持与实施例1相同。但是，在流通池表面上的寡核苷酸合成期间混合试剂的方法可能不同于本公开中公开的条件。例如，可以在将混合物供应到流通池之前进行试剂混合，或者惰性气体可能会通过流通池中的溶液鼓泡。因此，当气泡移动通过流通池中的溶液时，可能需要流通池采用晶圆垂直的配置并依靠重力或浮力来实现混合。这样的配置可能会阻止如本公开中所描述的寡核苷酸合成的自动化。
晶圆的表面处理步骤可以与实施例1中的相同。HEG连接步骤和寡核苷酸合成步骤可以通过从密封流通池组装的DNA“芯片制造器”完成，该制造器可以连接到自动化的寡核苷酸合成仪(将合成仪的常规反应柱替换为定制的流通池后)。当使用流通池反应室时，在进行表面化学处理时，可以对基底进行标准操作(包括摇动，旋转，搅动流通池反应室内部的基底)。光裂解步骤可以相同。荧光团附着步骤和去保护步骤可以通过包含密封流通池的DNA“芯片制造器”完成。最后，成像步骤可以相同。
在实施例1和2中获得的图像的比较可以显示使用本公开的装置/系统/方法和流动池的装置/系统/方法合成的寡核苷酸的质量和数量的差异。
实施例3:图像分析
实施例1和2中产生的晶圆的荧光数据可以分别通过KEYENCE显微镜(KEYENCECorp.of America，Itasca，IL)收集为图像。图4-5说明了用于拍摄和分析这些图像的方法。如上所述，可以在显微镜上使用40倍物镜拍摄要分析的图像。
现在转向图4，在示例图中示出了可以根据实施例1或2制备的晶圆400。沿着晶圆400的中心轴，可以选择五个区域402-1、402-2、402-3、402-4和402-5，以及两个402-1的侧翼区域402-6和402-7。如图所示，区域402-1、402-2、402-3、402-6和402-7是整个晶圆400表面的不同采样点。
可以选择七个区域中的每个区域以测量由显微镜记录的信号强度。在每个要分析的区域内，可以拍摄五张图像。以区域402-7为例，可以获得区域402M的放大图，如图4所示。在区域402M内，可以如图所示拍摄404-A，404-B，404-C，404-D和404-E的五个图像。
可以相似地分析五个图像中的每一个。以图像404-B为例，图4中示出了示例图像404M。如图4所示，在图像404M中可以存在多个特征406。在该实施例中，与荧光团激发相对应的信号可以在“黑色背景”中转换为“灰阶”。因此，通过沿如图4中408所示的“背景”线取预定数目的读数作为平均值，可以获得平均背景信号。可以基于沿着如图4所示的“信号”线410的六个峰(最高读数)，在减去上面确定的背景信号之后，可得与荧光团激发相对应的信号。如图4所示，背景线408可以与信号线410相邻。然而，选择背景线408或背景信号的其他方式也是可能的。
图5呈现了示例图，其示出了由此获得的图像404M的六个峰。在确定六个峰中的每个峰值之后，可以将这些峰值的平均值分配给图像404M。可以将相似的图像分析应用于相同区域402M的所有五个图像。五个图像的信号读数的平均值(以灰度值为单位)可以分配给区域402M。可以对所有七个区域402重复类似的处理。
实施例4:信号比较
可以依靠根据实施例3分析的图像来比较如图1所示的实施例1和2中用于进行表面化学反应的装置/系统/方法。如图6所示。在图6中，“当前”表示如实施例1中那样使用本公开的晶圆处理装置/系统/方法，而“对照”表示如实施例2中那样使用标准流通池反应室。
图6是比较当前晶圆和控制流通池的七个区域(A1-A7)中平均信号读数的条形图。可以选择这七个区域，拍摄其图像，并且根据实施例3对这些图像进行分析。如图6所示，除区域A4以外，当前晶圆的所有平均信号的灰度值均高于对照流通池的灰度值。当所有反应条件保持相同时，信号的较高灰度值可以表示寡核苷酸合成的整个化学过程的反应效率较高。因为就反应时间，温度和试剂浓度而言，当前晶圆和对照流动池可以经历相同的表面化学条件，所以图6可以证明当前晶圆可以比对照流动池具有更高的反应效率。如本文所用，短语“反应效率”或“反应的效率”通常是指化学反应或化学过程的产物产率。反应产率越高，反应效率越高。
除了计算在同一区域内拍摄的五个图像的平均读数外，6还显示了每个区域的平均读数的误差线(以图形和数字方式显示(以百分比显示))。误差线越大，表示同一区域内读数之间的差异越大。区域A4和A6在当前晶圆的读数中显示出较高的差异，而区域A1，A2，A3，A5和A7在对照流通池中显示出较高的差异。因此，当根据实施例3进行测量时，当前晶圆可以比对照流动池具有更均匀的荧光信号。如本文所用，短语“反应均匀性”通常是指从相关或选择的一组晶圆上的位置获得的一组产物产率之间的变化程度。荧光信号的变化越大，反应的一致性越差。
均匀的荧光信号可以反映出在进行寡核苷酸合成时均匀的反应条件和/或基底表面上均匀的试剂分布。在某些情况下，试剂/溶液的表面润湿可以使液体形式在整个晶圆/盖界面上以薄而均匀的层分布，从而确保均匀的反应条件而不会造成物理扰动，因为晶圆不会旋转或晶圆相对于盖子保持静止。简而言之，本公开可以帮助填充间隙，并使试剂覆盖晶圆表面。在某些情况下，这样形成在基底表面上的薄层的厚度可以更均匀，这是因为晶圆/盖子对反应室施加的物理约束可能比对照流通池中的物理约束更严格。在某些情况下，可以通过在润湿过程中的毛细管作用来实现晶圆/盖之间的精确平行度，从而在物理上强加在基底表面上形成的薄膜的边界。在某些情况下，试剂可能会通过毛细作用润湿晶圆和盖子之间的间隙，并且这可能会减轻在精确尺寸下，或在更紧密的平行排列配置下制造间隙的工程学负担。
当前公开内容的工业应用
本公开的设备/系统/方法可以表现出以下特征：
·由于试剂的表面润湿作用，使得晶圆表面上的寡核苷酸层薄而均匀，因此确保了寡核苷酸合成的均一反应条件；
·与寡核苷酸合成相关的表面化学反应效率高；
·从寡核苷酸合成获得的探针具有均匀的荧光信号；
·探针的强荧光信号；
·用易于实施的方法确保寡核苷酸合成过程中晶圆和盖子之间的平行性；
·与流通池配置相比，由于反应体积较小，可节省成本。本公开的腔室容积可以比流通池小至少六倍，并且比旋转室小至少二倍。当与旋转室构造相比时，在本公开中可以减少由于晶圆的旋转或运动引起的试剂损失。流通池或旋转室方法需要较大腔室体积的一个原因可能是确保试剂在间隙中移动或主动混合。本公开采用的无旋转实施方式不需要这种运动或主动混合。
·更少的试剂浪费，因为在寡核苷酸合成过程中较少的材料可能因基底的旋转或其他物理运动而损失，并且与流通池相比，反应室更小；
·处理晶圆和密封反应室的自动化过程；
·简化了寡核苷酸合成过程中固定或非旋转晶圆的设备设计；和
·由于减少了试剂浪费并简化了设备设计，因此节省了成本。
尽管在此已经示出和描述了本发明的优选实施方案，但是对于本领域技术人员显而易见的是，这些实施方案仅作为示例提供。并非意图通过说明书中提供的特定示例来限制本发明。尽管已经参考前述说明书描述了本发明，但是本文中实施方案的描述和图示并不意味着以限制的意义来解释。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员现在将想到许多变型，改变和替代。此外，应当理解，本发明的所有方面不限于本文阐述的取决于各种条件和变量的具体描述，构造或相对比例。应当理解，本文所述的本发明的实施方案的各种替代方案可用于实施本发明。因此，可以预期的是，本发明还将覆盖任何这样的替代，修改，变化或等同形式。意图是所附权利要求限定本发明的范围，并且由此涵盖这些权利要求范围内的方法和结构及其等同物。

Claims (24)

1.一种加工晶圆的方法，包括:
(a)通过位于盖中的喷嘴将第一溶液分配到第一晶圆的第一表面上；
(b)将所述第一溶液散布在所述第一表面上；以及
(c)使所述第一溶液与所述第一表面上的第一试剂反应，从而形成第一产物；
其中所述第一晶圆在(a)-(c)中不旋转。
2.权利要求1的方法，其中所述盖和所述第一晶圆之间的分离间隙的范围为约20μm至约2.0mm。
3.权利要求2的方法，其中在(c)中形成所述第一产物是在由所述分离间隙形成的反应室内形成共价键。
4.权利要求3的方法，其中在(b)中，所述散布用所述第一溶液基本上填充所述反应室。
5.权利要求1的方法，其中所述第一溶液包含第一化学试剂和第二化学试剂。
6.权利要求1的方法，其中所述第一溶液包含磷酸化试剂。
7.权利要求1的方法，其进一步包括，在(c)之后:
(d)通过所述喷嘴将第二溶液分配到所述第一表面上，从而将第二溶液散布在所述第一表面上，并使在所述第一表面上的第二试剂形成第二产物；
其中在(d)中所述第一晶圆不旋转。
8.权利要求7的方法，其中所述第二试剂是所述第一产物。
9.权利要求7的方法，其中所述第二溶液包含第三化学试剂和第四化学试剂。
10.权利要求1的方法，其进一步包括，在(c)之后:
(d)将气体分散到所述第一表面上；
其中在(d)中所述第一晶圆不旋转。
11.权利要求10的方法，其中所述气体是惰性气体。
12.权利要求10的方法，其中所述气体从所述喷嘴分散。
13.权利要求1的方法，其中(c)中的所述第一溶液和所述第一试剂之间的反应效率高于流通池中的相应反应。
14.权利要求1的方法，其中(c)中的第一溶液和第一试剂之间的反应均匀性优于流通池中的相应反应。
15.权利要求1的方法，其进一步包括，在(a)之前：
(i)通过晶圆输送机器人将第一晶圆从第一位置移动到第二位置；以及
(ii)将所述第一晶圆放置在第二位置的真空吸盘的顶部。
16.权利要求1的方法，其进一步包括，在(a)之前：
调节所述盖的支撑柱，从而使所述盖的底表面和所述第一晶圆的第一表面基本平行。
17.权利要求15的方法，其中(i)中的所述移动包括在第一位置处从晶圆盒移除第一晶圆。
18.权利要求17的方法，其中所述晶圆盒被配置为保持至少另一个晶圆。
19.权利要求1的方法，其进一步包括将所述第一晶圆，所述喷嘴和所述盖封闭在惰性气体室内。
20.权利要求1的方法，其中第一试剂是结合至所述第一表面的官能团。
21.权利要求20的方法，其中所述官能团是羟基，氨基，羰基或羧基衍生物基团。
22.权利要求15的方法，其中所述晶圆在第二位置不旋转。
23.权利要求15的方法，其进一步包括在(c)之后：
(d)从所述第二位置移除所述第一晶圆；
(e)通过所述晶圆输送机器人将第二晶圆从所述第一位置移动到所述第二位置；以及
(f)将所述第二晶圆放置在所述第二位置的真空吸盘的顶部。
24.权利要求23的方法，其进一步包括在(f)之后：
(g)通过所述喷嘴将第三溶液喷在所述第二晶圆的第二表面上，将所述第三溶液均匀散布在所述第二表面上，在第二表面上与第三试剂反应，并形成第三产物；
其中在(g)中第二晶圆不旋转。
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