JP2005337755A - MULTI-pH SENSOR AND ITS MANUFACTURING METHOD - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multi-pH sensor and its manufacturing method capable of three-dimensionally grasping a distribution state of pH of a sample, and measuring the distribution state of pH in a minute area with high measuring accuracy and superior response. <P>SOLUTION: In a multi probe-type sensor having a plurality of projections (probe) 2 formed by crystal growth on a semiconductor substrate 1 as a base, an amino group is fixed to surfaces of the probes 2 to have a function sensing hydrogen ion concentration (pH) in the sample. This multi-pH sensor is constituted by arranging the probes 2 of various heights. At least one or more amplification circuits or/and signal processing circuits 3 are formed on the semiconductor substrate 1. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、試料の水素イオン濃度(pH)の三次元測定が可能なマルチpHセンサおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to a multi-pH sensor capable of three-dimensional measurement of a hydrogen ion concentration (pH) of a sample and a manufacturing method thereof.

試料のpH測定には、従来からガラス電極を用いた測定方法が多く利用されている。一方、近年、環境あるいは半導体や化成品などの各種製造プロセスにおいては、濃度、温度、磁気、圧力など様々な物理現象または化学現象とともに、試料中のpHの分布状態を把握したいとの要請が高まっている。     Conventionally, many measurement methods using a glass electrode have been used to measure the pH of a sample. On the other hand, in recent years, in various manufacturing processes such as the environment and semiconductors and chemical products, there is an increasing demand for grasping the distribution state of pH in a sample together with various physical or chemical phenomena such as concentration, temperature, magnetism and pressure. ing.

こうした要請に対して、ガラス電極を複数配列して測定する方法が一般的であるが(例えば特許文献1参照)、昨今、イオン感応性電界効果型トランジスタ(ISFET)を用いた検出手段が用いられ、溶液中のpHの分布状態を画像化することで、各種の分析・解析試料として有用されている。具体的には、図4に例示するように、1つの半導体基板22に、複数のISFET24を配列してなるセンサアレイ23と、アナログマルチプレクサおよびアンプ系からなる信号処理部25を形成し、ワンチップ化したリニアISFETアレイチップ21が提案されている(例えば特許文献2参照)。
特開平06−148124号公報 特開2002−286691号公報
In response to such a demand, a method of measuring by arranging a plurality of glass electrodes is generally used (see, for example, Patent Document 1). Recently, detection means using an ion-sensitive field effect transistor (ISFET) is used. It is useful as various analysis / analysis samples by imaging the pH distribution state in the solution. Specifically, as illustrated in FIG. 4, a sensor array 23 in which a plurality of ISFETs 24 are arranged and a signal processing unit 25 including an analog multiplexer and an amplifier system are formed on one semiconductor substrate 22. A linear ISFET array chip 21 has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
Japanese Patent Laid-Open No. 06-148124 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-286691

昨今のpH測定には、従来のような平面的な測定だけではなく三次元の測定情報が必要とされ、測定手段としても、三次元情報が同時連続的に得られる方法の要請が強くなってきた。また、微小部分に対する三次元情報も物理現象または化学現象を把握する上では欠かすことのできず、特に素材あるいは細胞の内部などの情報を得たい場合にあっては、そうした要請が強くなってきている。   Today's pH measurement requires not only conventional planar measurement but also three-dimensional measurement information, and there is a strong demand for a method for obtaining three-dimensional information simultaneously as a measurement means. It was. In addition, three-dimensional information on minute parts is indispensable for grasping physical or chemical phenomena, and such requests are becoming stronger especially when information on materials or the inside of cells is to be obtained. Yes.

しかしながら、従来の方法では、直接測定することが難しかった。つまり、イオン電極法では、電極の大きさは小さくてもmmオーダーであり、電極の配列に限界があり、μmオーダーの微小領域のpHを測定することは難しい。また、微小領域のpHを測定する手段として利用可能なISFETについても、アレイ化したとしてもシリコンウェハ上に二次元的にしか配列できず、三次元のpH測定には対応することができなかった。   However, it has been difficult to measure directly with the conventional method. That is, in the ion electrode method, even if the size of the electrode is small, it is on the order of mm, and there is a limit to the arrangement of the electrodes, and it is difficult to measure the pH of a micro area on the order of μm. In addition, ISFETs that can be used as a means for measuring the pH of a minute region can only be arranged two-dimensionally on a silicon wafer even if they are arrayed, and cannot cope with three-dimensional pH measurement. .

そこで、この発明の目的は、試料のpHの分布状態を三次元的に把握することが可能なマルチpHセンサおよびその製造方法を提供するとともに、微小領域におけるpHの分布状態を、高い測定精度および優れた応答性をもって測定することが可能なマルチpHセンサおよびその製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a multi-pH sensor capable of three-dimensionally grasping the pH distribution state of a sample and a method for manufacturing the same, and to measure the pH distribution state in a minute region with high measurement accuracy and An object of the present invention is to provide a multi-pH sensor that can be measured with excellent responsiveness and a method for manufacturing the same.

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、以下に示すマルチpHセンサおよびその製造方法によって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。   As a result of intensive studies, the present inventors have found that the above object can be achieved by a multi-pH sensor and a manufacturing method thereof shown below, and have completed the present invention.

すなわち、本発明は、半導体基板を下地として結晶成長させた突起(プローブ)を複数有するマルチプローブタイプのセンサであって、プローブの表面にアミノ基が固定され、試料中の水素イオン濃度(pH)に感応する機能を有することを特徴とする。   That is, the present invention is a multi-probe type sensor having a plurality of protrusions (probes) crystal-grown with a semiconductor substrate as a base, wherein an amino group is fixed on the surface of the probe, and the hydrogen ion concentration (pH) in the sample It is characterized by having a function sensitive to.

後述するVLS法など微細な構造を有する結晶を成長させる方法を利用して作製されたプローブは、従来困難であった、非常に細針化されたプローブの作製を可能とし、微細な領域の物理現象または化学現象の二次元あるいは三次元の情報を入手することを可能にした。つまり、本発明は、こうしたプローブの特性を活かし、プローブの表面にpHに非常に高い感応性を有するアミノ基を固定することで、試料中のpHの分布状態を二次元あるいは三次元的に把握することを容易に行うことができることを見出したものである。また、本発明は、複数のプローブの特にプローブ先端部という非常に極小化された部位にpH検出機能を付加したもので、微細な領域の測定に有効で、各プローブの先端部が特定点のみにおいて機能し、他の点に影響を及ぼすことなく特定点における検出を容易に行うことが可能となる。従って、微小領域におけるpHの分布状態を、高い測定精度および優れた応答性をもって測定することが可能なマルチpHセンサを提供することが可能となる。   A probe produced by using a method for growing a crystal having a fine structure such as a VLS method described later makes it possible to produce a very fine probe, which has been difficult in the past, and provides a physical property of a fine region. It has become possible to obtain 2D or 3D information of phenomena or chemical phenomena. In other words, the present invention makes it possible to grasp the pH distribution state in a sample two-dimensionally or three-dimensionally by immobilizing an amino group having a very high sensitivity to pH on the surface of the probe by utilizing such characteristics of the probe. It has been found that this can be easily performed. In addition, the present invention adds a pH detection function to a very miniaturized portion of a plurality of probes, particularly the probe tip, which is effective for measurement of a fine region, and the tip of each probe is limited to a specific point. It is possible to easily detect at a specific point without affecting other points. Therefore, it is possible to provide a multi-pH sensor capable of measuring the pH distribution state in a minute region with high measurement accuracy and excellent responsiveness.

また、本発明は、前記マルチセンサであって、異なる高さを有するプローブが配列されて形成されることを特徴とする。   Further, the present invention is the multi-sensor, wherein probes having different heights are arranged.

試料中のpHの分布状態を三次元的に把握するためには、三次元的に配置されたpH検出端からの情報を同時かつ迅速に入手できることが好ましい。複数のプローブの先端部が三次元空間に分割的に配置された本発明に係るマルチプローブによれば、こうした条件を満たすことができ、試料中のpHの分布状態について精度の高い三次元情報を容易に入手することができる。   In order to grasp the distribution state of the pH in the sample three-dimensionally, it is preferable that information from pH detection ends arranged three-dimensionally can be obtained simultaneously and rapidly. According to the multi-probe according to the present invention in which the tip portions of a plurality of probes are arranged in a three-dimensional space, such a condition can be satisfied, and highly accurate three-dimensional information on the pH distribution state in the sample can be obtained. It can be easily obtained.

本発明は、前記マルチセンサであって、前記半導体基板に、少なくとも1以上の増幅回路あるいは/および信号処理回路を形成することを特徴とする請求項1または2記載のマルチpHセンサ。   3. The multi-pH sensor according to claim 1, wherein the multi-sensor includes at least one amplification circuit and / or signal processing circuit formed on the semiconductor substrate.

上記のように、本発明に係るマルチプローブにおいては、プローブ先端部という非常に極小化された部位に機能が集約される場合があることから、先端部からの信号量は非常に微小となる。従って、マルチプローブからの出力を利用する上では、こうした信号に対する外部からの影響(以下「外乱」という。)をできる限り受けない構成をすることが好ましい。本発明においては、半導体基板に少なくとも1以上の増幅回路あるいは/および信号処理回路を形成することによって、各プローブからの微小出力を前置的に安定化された信号に変換し、その信号を送信・出力することによって、外乱影響の少ない、精度・安定性の高い出力を得ることができる。   As described above, in the multi-probe according to the present invention, the function may be concentrated in a very minimized part called the probe tip, so that the signal amount from the tip becomes very small. Therefore, when using the output from the multi-probe, it is preferable to adopt a configuration in which such an influence from the outside (hereinafter referred to as “disturbance”) is not affected as much as possible. In the present invention, at least one amplification circuit or / and signal processing circuit is formed on a semiconductor substrate, thereby converting a minute output from each probe into a pre-stabilized signal and transmitting the signal. -By outputting, it is possible to obtain highly accurate and stable output with little influence of disturbance.

本発明は、マルチプローブタイプのセンサの製造方法であって、
(1)半導体基板を下地として突起(プローブ)を複数結晶成長させる、
(2)プローブの表面に素地を付着する、
(3)前記素地にチオール基を有する物質を固定する、
(4)前記チオール基を有する物質の上にアミノ基を有する物質を固定する、
各プロセスを有することを特徴とする。
The present invention is a method of manufacturing a multi-probe type sensor,
(1) Growing a plurality of protrusions (probes) on a semiconductor substrate as a base,
(2) A substrate is attached to the surface of the probe.
(3) fixing a substance having a thiol group to the substrate;
(4) immobilizing a substance having an amino group on the substance having a thiol group;
It is characterized by having each process.

微細な領域の物理現象または化学現象の検出には、非常に微細な構造を有するプローブが必要となる。後述のように、VLS法など微細な構造を有する結晶を成長させる方法が開発され、こうして作製されたプローブは、従来困難であった、微細な領域の物理現象または化学現象の二次元あるいは三次元検出を可能とした。一方従来、pHに対し高感度に感応する検出端は、ガラス電極やISFETなど非常に特殊な条件に限定されていた。本発明者は、上記のプローブの素材とpHに非常に高い感応性を有するアミノ基とを如何に強固に固定できるかを検討した結果、上記のようなプロセスを経て作製する方法が非常に優れていることを見出したもので、VLS法などの製造プロセスと連結したプロセスを構成することができる点においても優位である。また、任意の高さのプローブの形成が容易になり、最適位置にpHの検出端が配されたマルチpHセンサを作製することができる。   In order to detect a physical phenomenon or chemical phenomenon in a fine region, a probe having a very fine structure is required. As will be described later, a method for growing a crystal having a fine structure such as a VLS method has been developed, and the probe thus produced has a two-dimensional or three-dimensional physical or chemical phenomenon in a fine region, which has been difficult in the past. Detection was possible. On the other hand, conventionally, the detection end sensitive to pH with high sensitivity has been limited to very special conditions such as glass electrodes and ISFETs. As a result of studying how firmly the above-described probe material and amino group having a very high sensitivity to pH can be fixed, the present inventor found that the method of producing through the above-described process is very excellent. It is also advantageous in that a process linked to a manufacturing process such as the VLS method can be configured. In addition, it is easy to form a probe having an arbitrary height, and a multi-pH sensor in which a pH detection end is arranged at an optimum position can be manufactured.

以上のように、本発明に係るマルチpHセンサを利用すれば、従来困難であった、同時性および連続性の高い、微小領域のpHの三次元測定を容易に行うことができる。また、本発明に係るマルチpHセンサの製造方法によって、微細な構造を有する結晶からなるプローブに強固に固定された、高い感応性有するpH検出端を形成し、高い測定精度および優れた応答性を有する、三次元測定が可能となる。従って、溶液あるいは生体などの三次元情報が必要とされる分野において特に有用性が高い。   As described above, by using the multi-pH sensor according to the present invention, it is possible to easily perform three-dimensional measurement of pH in a minute region with high simultaneity and continuity, which has been difficult in the past. In addition, the multi-pH sensor manufacturing method according to the present invention forms a highly sensitive pH detection end firmly fixed to a probe made of a crystal having a fine structure, and has high measurement accuracy and excellent responsiveness. 3D measurement is possible. Therefore, it is particularly useful in a field where three-dimensional information such as a solution or a living body is required.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、この発明に係るマルチpHセンサの基本的な構成を例示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 illustrates a basic configuration of a multi-pH sensor according to the present invention.

図1において、半導体基板(シリコン基板)1上に、高さの異なる多数の針状突起からなるプローブ2が形成されている。このとき、形成されたプローブ2は、その表面に以下の所定の処理を施すことによって、試料のpHに対して高い感応機能を有することができる。対象となる試料としては、水溶液やイオン性を有する各種溶液(有機物を含む)、細胞組織などの生体試料、ゲル状物質などが挙げられる。   In FIG. 1, a probe 2 made up of a large number of needle-like protrusions having different heights is formed on a semiconductor substrate (silicon substrate) 1. At this time, the formed probe 2 can have a high sensitivity function with respect to the pH of the sample by performing the following predetermined treatment on the surface thereof. Examples of the target sample include aqueous solutions, various ionic solutions (including organic substances), biological samples such as cell tissues, and gel-like substances.

プローブ2の表面に対する所定の処理とは、後述するプロセスによってpH感応膜を形成することをいい、具体的には、シリコンを基体としてその結晶成長過程でプローブ2の表面に生じるSi−Auと結合性の高いAu、さらにその上にチオール基Sを有する物質を介してアミノ基Aを有する物質を固定化することによって形成される。こうした構成によって非常に強固に固定され、かつ薄い薄膜によって非常に高いpH感応性を得ることができる。   The predetermined treatment on the surface of the probe 2 refers to forming a pH sensitive film by a process to be described later. Specifically, it binds to Si—Au generated on the surface of the probe 2 during the crystal growth process using silicon as a substrate. It is formed by immobilizing a substance having an amino group A via a substance having a high property Au and a substance having a thiol group S thereon. Such a configuration makes it possible to obtain a very high pH sensitivity by being fixed very firmly and by a thin thin film.

ここで、プローブ2は、先端部4のみがpH検出機能を有する場合だけではなく、プローブ2の側面部5も同様の機能あるいは異なる機能を有することも可能である。また、プローブ2の形状は、円筒状あるいは先端部の外径が小さくなるテーパ状など目的にあった任意の形状を選択することが可能である。プローブ2の作製方法については、後述するVLS法のみならず、他の液相エピタキシー法や低い高さのプローブであれば気相エピタキシー法なども利用することによって微細な構造を有する結晶を成長させる方法を適用することが可能である。   Here, the probe 2 can have not only the tip portion 4 having a pH detection function but also the side surface portion 5 of the probe 2 having a similar function or a different function. In addition, the shape of the probe 2 can be selected from any shape suitable for the purpose, such as a cylindrical shape or a tapered shape in which the outer diameter of the tip portion is small. Regarding the method for producing the probe 2, not only the VLS method described later, but also other liquid phase epitaxy methods and low-level probes are used to grow a crystal having a fine structure by using a vapor phase epitaxy method or the like. It is possible to apply the method.

さらに、特定の機能が形成されたプローブ2の先端部あるいは側面部以外の部分を、絶縁体や保護膜などによって被覆することによって、プローブ2の汚染や劣化等の防止や外乱の影響等の防止を行うことができる。   Further, by covering the portion other than the tip portion or side surface portion of the probe 2 having a specific function with an insulator or a protective film, the probe 2 is prevented from being contaminated or deteriorated, or from the influence of disturbance. It can be performed.

また、半導体基板1には、各種の回路を形成することが可能であるが、マルチpHセンサとして使用する場合には、少なくとも1以上の増幅回路あるいは/および信号処理回路を形成するが好ましい。各プローブからの微小出力を、前置的に安定化された信号に変換し送信・出力することによって、外乱影響の少ない、精度・安定性の高い出力を得ることができる。特に、増幅回路(オペアンプ)を用いたインピーダンス変換回路の形成は、溶液測定や細胞内測定のように、対象物が電荷の変動要素を有することから、各種の外乱の発生が生じ易い条件であり非常に有効である。また、信号処理回路の形成は、安定した出力だけではなく、マルチセンサの独立性を高め、無線送信など測定装置の構成に対し汎用性を高めることが可能となる。   In addition, various circuits can be formed on the semiconductor substrate 1, but when used as a multi-pH sensor, it is preferable to form at least one amplifier circuit and / or signal processing circuit. By converting a minute output from each probe into a pre-stabilized signal and transmitting / outputting it, an output with high accuracy and stability with little influence of disturbance can be obtained. In particular, the formation of an impedance conversion circuit using an amplifier circuit (op-amp) is a condition in which various disturbances are likely to occur because the object has a variable element of charge, such as solution measurement and intracellular measurement. It is very effective. In addition, the formation of the signal processing circuit can increase not only the stable output but also the independence of the multi-sensor, and the versatility of the configuration of the measuring apparatus such as wireless transmission.

図2は、こうしたマルチpHセンサの全体の構成を例示している。プローブ2では電源供給部Vから先端部(pH検出端)4に所定の電圧を印加し(場合によっては側面部5にも印加することがある)、そのときの各先端部4の電位の変化を電流値の変化として検出手段Dによって取り出し、対象物のpHの変化を把握することができる。   FIG. 2 illustrates the overall configuration of such a multi-pH sensor. In the probe 2, a predetermined voltage is applied from the power supply unit V to the distal end portion (pH detection end) 4 (may be applied to the side surface portion 5 in some cases), and the potential change of each distal end portion 4 at that time Can be taken out by the detection means D as a change in the current value, and the change in the pH of the object can be grasped.

図3に、マルチpHセンサを構成するマイクロプローブの製造プロセスを例示する。ここでは、既に半導体回路が形成された基板上にマイクロプローブを形成する工程を説明するが、先ずマイクロプローブを形成した後半導体回路を形成する場合など種々の工程の選択することが可能である。なお、図3では、n+(高濃度拡散層)からなるドレイン6にプローブを形成する場合を示している。   FIG. 3 illustrates a manufacturing process of a microprobe constituting a multi-pH sensor. Here, a process of forming a microprobe on a substrate on which a semiconductor circuit is already formed will be described. However, various processes can be selected, such as when a semiconductor circuit is formed after forming a microprobe first. FIG. 3 shows a case where a probe is formed on the drain 6 made of n + (high concentration diffusion layer).

(a)p型のシリコン基板1上に、信号処理回路が形成され、さらに酸化膜(SiO)7によって被覆された状態を示している。また、本工程では、通常の回路形成に用いられる保護膜の形成などの工程を省略したが、必要に応じて各種工程の追加・順序の変更などが可能であることはいうまでもない。 (A) A signal processing circuit is formed on a p-type silicon substrate 1 and is further covered with an oxide film (SiO 2 ) 7. In this step, steps such as formation of a protective film used for normal circuit formation are omitted, but it goes without saying that various steps can be added and the order can be changed as necessary.

(b)エッチング工程を行うことにより、SiO膜7、ドレイン6の中心位置に、シリコン基板1まで達する開口部8を形成する。開口部7の大きさは、形成するプローブ2の太さよりも大きくする必要があるが、プローブ2の断面積の1.1倍〜50倍程度にすることで好適なプローブ2の位置精度を確保することができる。 (B) By performing an etching process, an opening 8 reaching the silicon substrate 1 is formed at the center position of the SiO 2 film 7 and the drain 6. The size of the opening 7 needs to be larger than the thickness of the probe 2 to be formed. However, by setting the size of the probe 2 to about 1.1 to 50 times the cross-sectional area of the probe 2, a suitable positional accuracy of the probe 2 is ensured. can do.

(c)さらに、シリコン基板1のドレイン6の開口面にAu薄膜9を形成する。ここで形成するAu薄膜9の厚さは、成膜温度、成長させるプローブ2の太さによって変える必要があり、例えば、Au薄膜9の成膜温度が700℃で、直径数μmのプローブ2を形成する場合には、Au薄膜9の厚さを10〜100nmとすることが適当である。Au薄膜9の形成は、シリコン基板1全体にレジスト膜を形成した後に行い、リフトオフ法によりレジスト膜とともにすべて除去し、ドレイン6の開口面に形成されたAu薄膜9のみを残す方法なども可能である。   (C) Further, an Au thin film 9 is formed on the opening surface of the drain 6 of the silicon substrate 1. The thickness of the Au thin film 9 formed here needs to be changed depending on the film forming temperature and the thickness of the probe 2 to be grown. For example, the film forming temperature of the Au thin film 9 is 700 ° C. and the probe 2 having a diameter of several μm is used. When forming, it is appropriate that the thickness of the Au thin film 9 is 10 to 100 nm. The Au thin film 9 can be formed after a resist film is formed on the entire silicon substrate 1 and then removed together with the resist film by a lift-off method, leaving only the Au thin film 9 formed on the opening surface of the drain 6. is there.

(d)ドレイン6のAu薄膜9の部分に、VLS成長法によりシリコンをエピタキシャル成長させる。すなわち、シリコン基板1を、SiHやSi26 等のシリコンを含むガスの雰囲気中で、Au−Si合金の共晶点よりも高い温度に加熱する。これにより、先ず、Au薄膜9の中心部に、Auとドレイン6をなすn+シリコンとの混合溶液からなる液滴が生じる。次に、ガスの熱分解で生じたシリコン原子がこの液滴に取り込まれて、液滴中のシリコン濃度が過剰となる。この過剰となったシリコンが、ドレイン6の表面からエピタキシャル成長する。その結果、単結晶シリコンからなる突起が得られる。このとき、突起の先端には、前記液滴の固化により、Au−Si合金からなる半球状の合金部10が形成される。この突起は、ドレイン6をなすn+シリコンから成長しているため、シリコン基板1から直接成長させたものよりも導電性が高い。従って、この突起はそのまま導電プローブとして使用できる。また、その後の不純物拡散も目的により利用できる。 (D) Silicon is epitaxially grown on the Au thin film 9 portion of the drain 6 by the VLS growth method. That is, the silicon substrate 1 is heated to a temperature higher than the eutectic point of the Au—Si alloy in an atmosphere of a gas containing silicon such as SiH 4 or Si 2 H 6 . Thereby, first, a droplet made of a mixed solution of Au and n + silicon forming the drain 6 is generated in the central portion of the Au thin film 9. Next, silicon atoms generated by the thermal decomposition of the gas are taken into the droplet, and the silicon concentration in the droplet becomes excessive. This excess silicon is epitaxially grown from the surface of the drain 6. As a result, a protrusion made of single crystal silicon is obtained. At this time, a hemispherical alloy portion 10 made of an Au—Si alloy is formed at the tip of the protrusion by solidification of the droplet. Since this protrusion is grown from n + silicon forming the drain 6, it has higher conductivity than that directly grown from the silicon substrate 1. Therefore, this protrusion can be used as a conductive probe as it is. Further, subsequent impurity diffusion can also be used depending on the purpose.

なお、上記実施形態では、プローブ2とする突起をドレイン6から結晶成長させているが、基板上の他の部位から結晶成長させてもよい。プローブ2とする突起を結晶成長させる下地は、できるならばセンサの信号処理回路を構成する素子の高濃度拡散層であればよく、NMOSFETの部位以外に、PMOSFETやCMOSFETのソースまたはドレイン、Bi−CMOSやバイポーラトランジスタのエミッタまたはコレクタ、ダイオードのn+層またはp+層等が挙げられる。また、MOSトランジスタのゲート回路部に形成することも可能である。   In the above-described embodiment, the protrusion used as the probe 2 is crystal-grown from the drain 6. However, the crystal may be grown from another part on the substrate. The base for crystal growth of the protrusions to be used as the probe 2 may be a high-concentration diffusion layer of an element constituting the signal processing circuit of the sensor if possible. In addition to the NMOSFET portion, the source or drain of PMOSFET or CMOSFET, Bi− Examples include CMOS or bipolar transistor emitters or collectors, diode n + layers or p + layers. It can also be formed in the gate circuit portion of the MOS transistor.

また、結晶成長は、最小1つずつ、あるいは少なくとも同じ高さのプローブごとに突起の長さを制御しプローブ2を形成するが好ましい。このような制御を行うことによって、任意の高さのプローブの形成が容易になり、所望のマルチプローブを作製することができる。   Further, in the crystal growth, it is preferable to form the probe 2 by controlling the length of the protrusion at least one by one or at least for each probe having the same height. By performing such control, it becomes easy to form a probe having an arbitrary height, and a desired multi-probe can be produced.

次に、プローブ2の先端部4にpH感応膜を形成するプロセスを説明する。   Next, a process for forming a pH sensitive film on the tip 4 of the probe 2 will be described.

(1)プローブ2の先端部4に素地としてAu膜を、図3(c)と同様の方法によって作製する。上述のようにマルチプローブの各突起の先端にはAu−Si合金からなる合金部があるため、AuやPtあるいはIrなどを容易に固定化することができる。特にAuについては、こうした合金との非常に強い結合状態を確保することができる。   (1) An Au film is produced as a substrate on the tip 4 of the probe 2 by the same method as in FIG. As described above, since there is an alloy portion made of an Au—Si alloy at the tip of each projection of the multi-probe, Au, Pt, Ir, or the like can be easily fixed. In particular, for Au, it is possible to ensure a very strong bonding state with such an alloy.

(2)前記素地にチオール基を有する物質を固定する。チオール基は、素地であるAuとpH感応性を有するアミノ基との中間結合材的役割を果たし、プローブ2の先端部4にしっかりと固定化することが可能となる。チオール基を有する物質としては、具体的には、例えば、テトラメルカプトビフェニルやペンタンチオールなどが挙げられる。また、該物質の厚さは10〜100nmとすることが適当である。   (2) A substance having a thiol group is fixed to the substrate. The thiol group plays the role of an intermediate binding material between the base Au and the pH-sensitive amino group, and can be firmly fixed to the tip 4 of the probe 2. Specific examples of the substance having a thiol group include tetramercaptobiphenyl and pentanethiol. The thickness of the substance is suitably 10 to 100 nm.

(3)前記チオール基を有する物質の上にアミノ基を有する物質を固定する。アミノ基は、pH感応機能が高くかつ選択性が高いことから、pH検出端として非常に有用であるとともに、チオール基など特定の反応基との結合力も強くプローブ2のような表面形状であっても容易に固定化を図ることができる点においても有用である。アミノ基を有する物質としては、具体的には、例えば、各種アミノ酸などが挙げられる。このとき、該物質の厚さは10〜100nmとすることが適当である。   (3) Immobilizing a substance having an amino group on the substance having a thiol group. The amino group is highly useful as a pH detection end because of its high pH-sensitive function and high selectivity, and has a strong binding force with a specific reactive group such as a thiol group, and has a surface shape like the probe 2. It is also useful in that it can be easily fixed. Specific examples of the substance having an amino group include various amino acids. At this time, the thickness of the material is suitably 10 to 100 nm.

上記のような処理によって、プローブ2の先端部4にpH検出端を形成することができる。また、こうした処理を、高さの異なる複数のプローブに対して行うことによって、pH感応性が高く、非常に細針化されたマルチプローブからなるマルチpHセンサを形成することができる。従って、本発明に係るマルチpHセンサを用いることによって、微小領域であっても、試料中のpHの分布状態を三次元情報として、容易に入手することができる。   The pH detection end can be formed at the distal end portion 4 of the probe 2 by the processing as described above. In addition, by performing such a process on a plurality of probes having different heights, a multi-pH sensor having a high pH sensitivity and a multi-probe with very fine needles can be formed. Therefore, by using the multi-pH sensor according to the present invention, the pH distribution state in the sample can be easily obtained as three-dimensional information even in a minute region.

以上、この発明は、広く溶液などサンプルのイオン濃度の三次元分布測定に好適に用いることができるほか、以下のような分野にも適用することができる。
(1)化学顕微鏡としての応用分野;pH計測・電気化学的分野、ガス分布計測分野・滴定の二次元的動的観察および解析
(2)環境計測・環境;バイオリメディエーションへの適用
(3)食品検査・食品、微生物
(4)ME分野・医学・生態組織;組織細胞表面および内部のpH計測、DNA計測
(5)バイオ分野
(6)動植物分野・植物;カルスの表面および内部電位分布計測・生物・正面図動物
(7)腐蝕計測分野・金属;金属腐蝕と塗装・コーティング
(8)ゼータ電位等表面解析・粉体、セラミックスのゼータ電位。
As described above, the present invention can be suitably used for three-dimensional distribution measurement of ion concentration of a sample such as a solution, and can also be applied to the following fields.
(1) Application field as chemical microscope; pH measurement / electrochemical field, gas distribution measurement field, two-dimensional dynamic observation and analysis of titration (2) Environmental measurement / environment; Application to bioremediation (3) Food Inspection / food, microorganisms (4) ME field / medicine / ecological tissue; tissue cell surface and internal pH measurement, DNA measurement (5) bio field (6) animal and plant field / plant; callus surface and internal potential distribution measurement / biology -Front view animals (7) Corrosion measurement field-Metal; Metal corrosion and painting-Coating (8) Surface analysis such as zeta potential-Zeta potential of powder and ceramics.

本発明に係るマルチpHセンサの基本的な構造を示す説明図。Explanatory drawing which shows the basic structure of the multi-pH sensor which concerns on this invention. 本発明に係るマルチpHセンサの全体構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows the whole structure of the multi-pH sensor which concerns on this invention. 本発明に係るマイクロプローブの作製プロセスを示す説明図。Explanatory drawing which shows the manufacturing process of the microprobe based on this invention. 従来のマルチpHセンサの説明図。Explanatory drawing of the conventional multi-pH sensor.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板(シリコン基板)
2 プローブ
3 信号処理回路
4 先端部(pH検出端)
5 側面部
1 Semiconductor substrate (silicon substrate)
2 Probe 3 Signal processing circuit 4 Tip (pH detection end)
5 Sides

Claims (4)

半導体基板を下地として結晶成長させた突起(プローブ)を複数有するマルチプローブタイプのセンサであって、プローブの表面にアミノ基が固定され、試料中の水素イオン濃度(pH)に感応する機能を有することを特徴とするマルチpHセンサ。   A multi-probe type sensor having a plurality of protrusions (probes) grown on a semiconductor substrate as a base, the amino group being fixed on the surface of the probe, and a function sensitive to the hydrogen ion concentration (pH) in the sample A multi-pH sensor characterized by that. 前記マルチpHセンサであって、異なる高さを有するプローブが配列されて形成されることを特徴とする請求項1記載のマルチpHセンサ。   The multi-pH sensor according to claim 1, wherein the multi-pH sensors are formed by arranging probes having different heights. 前記半導体基板に、少なくとも1以上の増幅回路あるいは/および信号処理回路を形成することを特徴とする請求項1または2記載のマルチpHセンサ。   3. The multi-pH sensor according to claim 1, wherein at least one amplification circuit and / or signal processing circuit is formed on the semiconductor substrate. マルチプローブタイプのセンサの製造方法であって、
(1)半導体基板を下地として突起(プローブ)を複数結晶成長させる、
(2)プローブの表面に素地を付着する、
(3)前記素地にチオール基を有する物質を固定する、
(4)前記チオール基を有する物質の上にアミノ基を有する物質を固定する、
各プロセスを有することを特徴とするマルチpHセンサの製造方法。
A method of manufacturing a multi-probe type sensor,
(1) Growing a plurality of protrusions (probes) on a semiconductor substrate as a base,
(2) A substrate is attached to the surface of the probe.
(3) fixing a substance having a thiol group on the substrate;
(4) fixing a substance having an amino group on the substance having a thiol group;
A method for producing a multi-pH sensor, comprising: each process.
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