JP2020527243A - バイオセンシング素子及びその製造方法及び生体分子の検出方法 - Google Patents

バイオセンシング素子及びその製造方法及び生体分子の検出方法 Download PDF

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Abstract

【課題】バイオセンシング素子を提供する。
【解決手段】基板と、前記基板の上に配置され、且つ上面を有する金属導電層と、前記金属導電層の前記上面の上に配置され、それぞれ前記金属導電層の前記上面よりも高い頂面を含む複数の作用電極と、前記金属導電層を覆い且つ前記作用電極を囲み、上面が前記頂面と前記金属導電層の前記上面との間にあるので、前記作用電極を前記絶縁層の前記上面から突出させる絶縁層と、を含むバイオセンシング素子。また、バイオセンシング素子の製造方法、及びこのバイオセンシング素子による生体分子の検出方法を更に提供する。本発明は、これらの突出した作用電極によって、電界被覆範囲が広く、電気化学反応の効率の向上に寄与し、更に信号の強度を増加させるメリットを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオセンシング素子及びその製造方法、及び上記バイオセンシング素子による生体分子の検出方法に関する。
近年、様々な疾患の診断、生理学的代謝に関する研究、又は環境要因の監視等を行うために、様々な異なる生体分子の検出方法は開発されている。微小電気機械システム（Ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ；ＭＥＭＳ）は、その開発が大きな注目を集めており、半導体プロセス技術と精密機械技術を組み合わせて、光学、化学、生体分子又は他の特性のマイクロチップを検出するための半導体装置を製造することができる。しかし、半導体業界がより高い装置密度、高性能、低コストを求めるようにナノテクノロジープロセスノードに進むことにつれて、製造及び設計からの挑戦が３Ｄ設計の開発を推進している。これにより、高性能で低コストのバイオセンシングチップの開発は、早急に解決しようとする課題となる。
本発明の一態様は、基板を提供する工程と、上面を有する金属導電層を基板の上に形成する工程と、複数の作用電極を金属導電層の上面の上に形成して、金属導電層の上面よりも高い頂面を各作用電極に持たせる工程と、金属導電層を覆い且つ前記作用電極を囲む絶縁層を形成し、絶縁層の上面が前記頂面と金属導電層の上面との間にあるので、前記作用電極を絶縁層の上面から突出させる工程と、を含むバイオセンシング素子の製造方法を提供する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、各作用電極は、約０．１２５〜約７．５であるアスペクト比を有する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、絶縁層を形成する工程は、絶縁材料層を金属導電層及び前記作用電極の上に堆積する工程と、絶縁材料層に対して平坦化プロセスを実行して、平坦化された絶縁材料層を形成する工程と、平坦化された絶縁材料層をエッチングして、絶縁層を形成する工程と、を含む。
本発明のいくつかの実施形態によれば、バイオセンシング素子の製造方法は、核酸、細胞、抗体、酵素、ポリペプチド、又はそれらの組み合わせである生物学的プローブを前記作用電極に接続させる工程を更に備える。
本発明の一態様は、基板と、基板の上に配置され、且つ上面を有する金属導電層と、金属導電層の上面の上に配置され、それぞれ金属導電層の上面よりも高い頂面を含む複数の作用電極と、金属導電層を覆い且つ前記作用電極を囲み、上面が前記頂面と金属導電層の上面との間にあるので、前記作用電極を絶縁層の上面から突出させる絶縁層と、を含むバイオセンシング素子を提供する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、各作用電極は、約０．１２５〜約７．５であるアスペクト比を有する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、各作用電極は、上面の第２の高さから突出し、且つ第２の高さが０．００１ミクロン〜０．５ミクロンである。
本発明のいくつかの実施形態によれば、バイオセンシング素子は、核酸、細胞、抗体、酵素、ポリペプチド、又はそれらの組み合わせである生物学的プローブを前記作用電極に接続させる工程を更に備える。
本発明の一態様は、標的分子を含むサンプルを提供する工程と、本開示の実施態様に記載のバイオセンシング素子を提供する工程と、生物学的プローブを前記作用電極に接続する工程と、電圧を前記作用電極に印加して、前記作用電極を囲む電界を前記作用電極に発生させる工程と、サンプルと生物学的プローブを接触させて、サンプルにおける標的分子と生物学的プローブを結合させて、更に、前記作用電極に信号を発生させる工程と、を備える生体分子の検出方法を提供する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、電圧を前記作用電極に印加する工程は、電圧を前記作用電極に印加して、７５％の電界の最大強度が絶縁層の上面から２７％〜４０％の第２の高さの箇所に現れるようにする工程を含む。
本発明の実施例は、添付図面に合わせて以下の詳細な説明に基づいて読まれる。
本発明のいくつかの実施形態によるバイオセンシング素子を示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、プロセスの各段階にあるバイオセンシング素子を示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、プロセスの各段階にあるバイオセンシング素子を示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、プロセスの各段階にあるバイオセンシング素子を示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、プロセスの各段階にあるバイオセンシング素子を示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、プロセスの各段階にあるバイオセンシング素子を示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、プロセスの各段階にあるバイオセンシング素子を示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、プロセスの各段階にあるバイオセンシング素子を示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、プロセスの各段階にあるバイオセンシング素子を示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、プロセスの各段階にあるバイオセンシング素子を示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、プロセスの各段階にあるバイオセンシング素子を示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、プロセスの各段階にあるバイオセンシング素子を示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態によるバイオセンシング装置を示す平面図である。 本発明のいくつかの実施形態によるバイオセンシング装置のＡＡ線に沿う断面図である。 図１４Ａに基づいて、その断面図を示す部分拡大模式図である。
本開示は、下記で、本開示における異なる特徴を実施するために、多数の異なる実施形態又は実施例を提供する。以下、本開示を簡略化するために、各特定の実施例における構成及び配置については下記で説明する。これらの実施例は、単なる例示であり、本開示を限定するためのものではない。例えば、第１の素子が第２の素子「の上方」又は「の上」に形成されることは、実施例における第１の素子と第２の素子とが直接接触することを含んでもよいし、また、第１の素子と第２の素子との間に追加の素子があるので第１の素子と第２の素子とが直接接触しないことを含んでもよい。また、本開示の様々な異なる例示において、素子記号及び／又は文字を繰り返して使用することができる。この繰返しは、簡略化し明瞭にするためのものであり、その自体が様々な実施例及び／又は構造配置の間の関係を決定しない。
また、「の下」「下方」、「低い」、「上方」、「高い」、及び他の類似的な相対的空間関係は、添付図面におけるある素子又は特徴と他の素子又は特徴との関係を説明するために、ここに使用されることができる。これらのペース相対用語は、添付図面に示す方向以外の、装置の使用又は操作中の様々な異なる方向を含もうとする。上記装置は、他の形態で配向され（９０度回転して又は他の方位に向かう）てもよく、この時の相対的空間関係は上記形態によって解釈されてもよい。
図１は本発明のいくつかの実施形態によるバイオセンシング素子を示す断面図である。図１に示すように、バイオセンシング素子１００は、基板１０３と、金属導電層１０６と、第２の絶縁層１０８と、複数の作用電極１１０と、生物学的プローブ１１２と、を備える。ある実施例において、基板１０３は、基材１０２と、第１の絶縁層１０４と、を含む。基板１０３は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、ゲルマニウム又はそれらの組み合わせのような他の半導体材料を含むが、それらに限定されない。基材１０２は、例えばシリコン基材であってよい。技術分野における設計要求に応じて、基材１０２は、様々な異なるドープ構成を含んでよい。一実施例において、基材１０２は、重ドープされた、低抵抗率の半導体基材であってよい。別の実施例において、基板１０３は、第１の絶縁層１０４を有しないガラス基板である。
第１の絶縁層１０４は、基材１０２の上に配置される。一実施例において、第１の絶縁層１０４は、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素のような酸化物、窒化物、酸窒化物又はそれらの組み合わせを含んでよいが、それらに限定されない。第１の絶縁層１０４は、バイオセンシング素子１００に良好な絶縁性質を持たせるように、低誘電率（ｌｏｗ−Ｋ）の材料を使用してよい。ある実施例において、第１の絶縁層１０４の厚さは、約０．０２ミクロン（μｍ）〜約０．２５ミクロン、例えば約０．１０ミクロン、約０．１５ミクロン、又は、約０．２０ミクロンである。
金属導電層１０６は基板１０３の上に配置され、且つ側壁１０７及び頂面１０５を有し、側壁１０７が頂面１０５に隣接し、且つ第２の絶縁層１０８が側壁１０７を覆う。一実施例において、金属導電層１０６はチタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅アルミニウム合金（ＡｌＣｕ）、銅アルミニウムシリコン合金（ＡｌＳｉＣｕ）又はそれらの組み合わせを含んでよいが、それらに限定されない。一実施例において、金属導電層１０６の厚さは、約０．０２ミクロン〜約０．７ミクロン、例えば約０．１ミクロン、０．２ミクロン、０．３ミクロン、０．４ミクロン、約０．５ミクロン、又は、約０．６ミクロンである。
各作用電極１１０は金属導電層１０６の頂面１０５の上に配置され、且つそれぞれ頂面１０９及び側壁１１１を有する。各頂面１０９が金属導電層１０６の頂面１０５の上よりも高く、各側壁１１１が各頂面１０９に隣接し、且つ第２の絶縁層１０８がただ各側壁１１１の一部を覆う。各作用電極１１０は金属導電層１０６の上から突出した第１の高さＨ１を有する。いくつかの実施例において、各作用電極１１０の第１の高さＨ１は、約０．０５ミクロン〜約０．６ミクロン、例えば約０．０５ミクロン、０．１ミクロン、０．２ミクロン、約０．３ミクロン、又は、約０．４ミクロンである。いくつかの実施例において、各作用電極１１０の幅は、約０．０８ミクロン〜約０．４ミクロン、例えば約０．０８ミクロン、０．１ミクロン、０．２ミクロン、又は、約０．３ミクロンである。一実施例において、各作用電極１１０は、約０．１２５〜約７．５の間の、例えば約０．２又は約０．３のアスペクト比（ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ）を有する。
本発明部分実施例において、これらの作用電極１１０の形は、円筒体、正三角柱体、正四角柱体、正五角柱体、正六角柱体又は正八角柱体であってよい。いくつかの実施形態において、これらの作用電極１１０はタンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅アルミニウム合金（ＡｌＣｕ）、銅アルミニウムシリコン合金（ＡｌＳｉＣｕ）又はそれらの組み合わせを含んでよいが、それらに限定されない。いくつかの実施形態において、これらの作用電極１１０の材料は、窒化チタン（ＴｉＮ）であることが好ましい。
生物学的プローブ１１２は、様々な既存の方法により、これらの作用電極１１０に修飾して接続されることができる。本発明様々な実施形態によれば、生物学的プローブ１１２は核酸、細胞、抗体、酵素又はそれらの組み合わせを含んでよいが、それらに限定されない。説明すべきなのは、上記の生物学的プローブ１１２は様々な生物性分子を認識することができる。例として、生物学的プローブ１１２が抗体である場合、サンプルにおける標的分子（即ち抗原）に結合し、様々な既存の技術で標的分子の存在を検出することができる。
第２の絶縁層１０８は金属導電層１０６を覆い且つ前記作用電極１１０を囲み、第２の絶縁層１０８の上面１１３がこれらの作用電極１１０の頂面１０９及び金属導電層１０６の頂面１０５との間にあるので、前記作用電極１１０を第２の絶縁層１０８の上面１１３から突出させる。上記突出部は各前記頂面１０９から第２の絶縁層１０８の上面１１３までの垂直距離である第２の高さＨ２を有する。いくつかの実施例において、第２の高さＨ２は、約０．０１ミクロン〜約０．５ミクロン、例えば約０．０５ミクロン、０．１５ミクロン、約０．３ミクロン、又は、約０．４５ミクロンである。これにより、電圧がこれらの作用電極１１０に印加されると、この作用電極１１０に前記突出した作用電極１１０を囲む電界を発生させる。電界の被覆範囲はこれらの作用電極１１０の側壁１１１に伸びてこれらの作用電極１１０の頂面１０９に限定されなく、電気化学反応を大幅に向上させ、更に信号の強度を強める。同じ電圧を印加する場合、３次元構造を有する作用電極１１０は既存の平面作用電極よりも感度が高い。
いくつかの実施例において、第２の絶縁層１０８は、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素のような酸化物、窒化物、酸窒化物又はそれらの組み合わせ又はその化合物を含んでよいが、それらに限定されない。いくつかの実施例において、第１の絶縁層１０４の材料と第２の絶縁層１０８とは材料が同じである。いくつかの実施例において、第１の絶縁層１０４の材料と第２の絶縁層１０８とは材料が異なる。
また、電圧を作用電極１１０に印加して背景ノイズ（ノイズ）を発生させて検出結果が乱れ、背景ノイズの発生は電極の断面積に関係する。電極の断面積が大きいほど、背景ノイズの強度が高くなる。本発明のいくつかの実施形態によれば、電圧を作用電極１１０に印加する場合、作用電極１１０による電界被覆範囲は、従来の平面作用電極の被覆範囲よりも広い。電界の被覆範囲は、これらの作用電極１１０の側壁１１１に伸びてこれらの作用電極１１０の頂面１０９に限定されない。従って、有効電界被覆範囲が同じ場合、これらの作用電極１１０の幅は従来の平面作用電極の幅よりも小さくてよい。したがって、本発明の実施形態による作用電極１１０の幅は従来の平面作用電極の幅よりも小さくてもよく、更に従来の平面作用電極よりも小さい断面積を有し、背景ノイズの発生を低下させる。
上記のように、ある実施形態において、各作用電極１１０の第１の高さＨ１は、約０．０５ミクロン〜約０．６ミクロンである。各作用電極１１０の第１の高さＨ１が０．０５ミクロンよりも小さい場合、各作用電極１１０突出部の第２の高さＨ２を０．０１ミクロンよりも小さくする。この場合、電圧を作用電極１１０に印加して、有効電界範囲の増加程度は限りがあるため、生物学的プローブ１１２の電気化学反応を向上させる効果は明らかはない。これにより、作用電極１１０突出部が高いほど、その有効電界の被覆範囲が広くなり、電気化学反応もよくなることがわかる。作用電極１１０のアスペクト比は、約０．１２５〜約７．５であることに留意すべきである。作用電極１１０のアスペクト比が７．５よりも大きい場合、作用電極の構造に欠陥を生じさせ、装置全体の信頼性を低下させることは容易である。
図２〜図１２は本発明のいくつかの実施形態による製造バイオセンシング素子の各プロセスの段階にある方法を示す断面図である。図２〜図３に示すように、基板２０３を提供する。いくつかの実施形態において、基板２０３は基材２０２及び第１の絶縁層２０４を含み、第１の絶縁層２０４が基材２０２の上に形成される。第１の絶縁層２０４は原子層堆積（ＡＬＤ）、物理気相堆積（ＰＶＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、化学酸化、熱酸化、及び／又は他の適切な方法により形成されることができる。一実施例において、第１の絶縁層２０４は、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素のような酸化物、窒化物、酸窒化物又はそれらの組み合わせを含んでよいが、それらに限定されない。いくつかの実施例において、形成された第１の絶縁層２０４の厚さは、約０．０２ミクロン〜約０．２５ミクロン、例えば約０．１０ミクロン、約０．１５ミクロン、又は、約０．２０ミクロンである。
図４を引き続き参照して、この工程において、金属導電層２０６を第１の絶縁層２０４の上に形成する。いくつかの実施形態において、金属導電層２０６はＰＶＤ、ＣＶＤ、電子ビーム蒸着（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）、スパッタリング、めっき及び／又は他の適切なプロセスにより形成されることができる。一実施例において、金属導電層２０６はチタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅アルミニウム合金（ＡｌＣｕ）、銅アルミニウムシリコン合金（ＡｌＳｉＣｕ）又はそれらの組み合わせを含んでよいが、それらに限定されない。一実施例において、金属導電層２０６を形成する厚さは、約０．３ミクロン〜約０．５ミクロン、例えば約０．３ミクロン、約０．４ミクロン、又は、約０．５ミクロンである。
今図５を参照して、この工程において、導電層２０８を金属導電層２０６上に堆積する。いくつかの実施形態において、導電層２０８はＰＶＤ、ＣＶＤ、電子ビーム蒸着（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）、スパッタリング、めっき及び／又は他の適切なプロセスにより形成されることができる。いくつかの実施形態において、導電層２０８はタンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タングステン（Ｗ）又はそれらの組み合わせを含んでよいが、それらに限定されない。いくつかの実施例において、導電層２０８の厚さは、約０．０５ミクロン〜約０．６ミクロン、例えば約０．１ミクロン、約０．２ミクロン、約０．３ミクロン、又は、約０．４ミクロンである。
今図６〜図７を参照して、導電層２０８に対してパターニングプロセスを行って、複数の作用電極２１２（例示的に単一の作用電極を示す）を形成する。図６に示すように、フォトマスク２１０及びリソグラフィプロセスにより導電層２０８の上方にパターン化フォトレジスト層（図示せず）を形成して、このフォトレジスト層は、例えばポジ型フォトレジスト又はネガ型フォトレジストである。次に図７に示すように、パターン化フォトレジスト層により導電層２０８に対してエッチングプロセスを行って、複数の作用電極２１２を形成し、金属導電層２０６の上面２０５を露出させる。各作用電極２１２は第１の高さＨ１を有する。各作用電極２１２は頂面２０９及び側壁２１１を有する。各頂面２０９は金属導電層２０６の上面２０５の上よりも高い。各側壁２１１は各頂面２０９に隣接する。
図８〜図９を引き続き参照して、金属導電層２０６に対してパターン化プロセスを行う。図８に示すように、フォトマスク２１４及びリソグラフィプロセスにより作用電極２１２及び金属導電層２０６の上方にパターン化フォトレジスト層（図示せず）を形成し、このフォトレジスト層は、例えばポジ型フォトレジスト又はネガ型フォトレジスト。次に図９に示すように、パターン化フォトレジスト層により金属導電層２０６に対してエッチングプロセスを行って、下方第１の絶縁層２０４の部分上面を露出させて、これにより金属導電層２０６は上面２０５及び下方が露出した第１の絶縁層２０４の一部の上面に隣接する側壁２０７を有する。
図１０を参照して、絶縁材料層２１６を第１の絶縁層２０４、金属導電層２０６及び前記作用電極２１２の上に堆積する。この工程において、絶縁材料層２１６は、例えば第１の絶縁層２０４、金属導電層２０６及び前記作用電極２１２をコンフォーマルに覆うことができる。いくつかの実施形態において、絶縁材料層２１６は、複数の層であってもよく、層の材料が互いに異なる。いくつかの実施形態において、絶縁材料層２１６は、複数の層であってもよく、層の材料が互いに同じである。いくつかの実施形態において、絶縁材料層はＰＶＤ、ＣＶＤ、プラズマ強化化学蒸着（Ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ、 ＰＥＣＶＤ）及び／又は他の適切なプロセスにより形成されることができる。
一実施例において、絶縁材料層２１６は、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素のような酸化物、窒化物、酸窒化物又はそれらの組み合わせを含んでよいが、それらに限定されない。一実施例において、絶縁材料層２１６はテトラエトキシシランである。
図１１を引き続き参照して、絶縁材料層２１６に対して平坦化プロセスを実行して第２の絶縁層２１８を形成する。この工程において、上記絶縁材料層２１６に対して平坦化プロセスを実行して、実質的に平らな上面を有する第２の絶縁層２１８が得られる。一実施例において、平坦化プロセスは化学機械平坦化（ＣＭＰ）及び／又は他の適切なプロセスであってよい。いくつかの実施例において、絶縁材料層２１６は複数層の絶縁材料層であり、層の材料が互いに異なるため、平坦化プロセスの効率が良い。
最後に図１２を参照して、適切なエッチングプロセスにより一部の第２の絶縁層２１８を取り除いて、第２の絶縁層２１８の上面２１３を金属導電層２０６の上面２０５とこれらの作用電極２１２の頂面２０９との間に介在させる。従って、これらの作用電極２１２は第２の絶縁層２１８の上面２１３から突出し、上記突出部が各前記頂面２０９から第２の絶縁層２１８の上面２１３までの垂直距離である第２の高さＨ２を有する。いくつかの実施例において、第２の高さＨ２は、約０．０１ミクロン〜約０．５ミクロン、例えば約０．０５ミクロン、０．１５ミクロン、約０．３ミクロン、又は、約０．４５ミクロンである。いくつかの実施例において、生物学的プローブがこれらの作用電極２１２の頂面２０９に接続されるように、更に生物学的プローブをこれらの作用電極２１２の上に修飾することができる。
本発明の様々な実施形態によって製造されたバイオセンシング素子は、様々なバイオセンシング装置と互換性がある。図１３は本発明のある実施形態のバイオセンシング装置３００の平面図であり、図１４Ａは図１３におけるＡＡ線に沿う断面図である。図１３及び図１４Ａに示すように、バイオセンシング装置３００は基板３０３、金属導電層３０６ａ、金属導電層３０６ｂ、第２の絶縁層３０８、複数の作用電極３１０、対電極３１２、生物学的プローブ３１４、信号検出ユニット３１６及びワイヤ３１８を含む。
各作用電極３１０及び対電極３１２は１つ又は複数のワイヤ３１８により電気的に信号検出ユニット３１６に接続されることができる。これにより、図１４Ａに示すように、電圧を前記作用電極３１０に印加する場合、これらの電極３１０に対応的な作用電極３１０を囲むそれぞれの電界Ｅを発生させる。この時、続いて前記生物学的プローブ３１４と接触するための被テストサンプルを提供する。被テストサンプルにおける標的分子が生物学的プローブ３１４に結合される場合、これらの作用電極３１０は信号を発生させ、この信号がワイヤ３１８により信号検出ユニット３１６に伝送されて、更に標的分子の存在を検出する。
図１４Ａを引き続き参照して、金属導電層３０６ｂは第１の絶縁層３０４の上に配置される。対電極３１２は金属導電層３０６ｂの上に配置される。いくつかの実施例において、金属導電層３０６ｂの材料と金属導電層３０６ａとは材料が同じである。いくつかの実施例において、金属導電層３０６ｂの材料と金属導電層３０６ａとは材料が異なる。基板３０３、金属導電層３０６ａ、第２の絶縁層３０８、これらの作用電極３１０、生物学的プローブ３１４は、上記の基板１０３、金属導電層１０６、第２の絶縁層１０８、複数の作用電極１１０、生物学的プローブ１１２と同じであってよく、ここに説明しない。
図１４Ａによるその部分拡大模式図である図１４Ｂを引き続き参照されたい。電圧を前記作用電極３１０に印加する場合、これらの作用電極３１０をそれぞれの電界を発生させる。例示的に、電界Ｅ７５は空間における各点の７５％最大電界強度により連結されてなる電界線を示す。言い換えれば、電界Ｅ７５によって覆われた範囲「内」のその各点の電界強度はいずれも７５％最大電界強度よりも大きい。例示的に、電界Ｅ５０は空間における各点の５０％最大電界強度により連結されてなる電界線を示す。言い換えれば、電界Ｅ５０によって覆われた範囲「内」のその各点の電界強度のいずれも５０％最大電界強度よりも大きい。いくつかの実施形態によれば、電圧を前記作用電極３１０に印加する場合、７５％最大電界強度（即ち最大電界強度に０．７５を掛けたもの）を頂面３１１から下方へ約第２の高さＨ２の２７−４０％変位する箇所（即ち電界Ｅ７５により連結されてなる電界線とこれらの作用電極３１０が交差する箇所）に現れさせ、言い換えれば、７５％最大電界強度は上面３１３上方の約６０−７３％の第２の高さＨ２の箇所に現れる。いくつかの実施形態によれば、電圧を前記作用電極３１０に印加する場合、５０％最大電界強度（即ち最大電界強度に０．５を掛けたもの）は頂面３１１から下方へ約第２の高さＨ２の８０−９３％変位する箇所（即ち電界Ｅ５０により連結されてなる電界線とこれらの作用電極３１０が交差する箇所）に現れ、言い換えれば、５０％最大電界強度は上面３１３の上方の約７−２０％の第２の高さＨ２の箇所に現れる。
電界分析シミュレーション
本試験はＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ ４．４シミュレーション分析ソフトウェアにより、電界強度のシミュレーション分析を行う。下記表１に示すように、作用電極が円形の場合、実施例１は０．０５ミクロンの半径を有する円形作用電極であり、最大電界値が２．８６ｘ１０６（ｖ／ｍ）であり、実施例２は０．１ミクロンの半径を有する円形作用電極であり、最大電界値が１．８５ｘ１０６（ｖ／ｍ）であり、実施例３は０．２ミクロンの半径を有する円形作用電極であり、最大電界値が７．７５ｘ１０５（ｖ／ｍ）である。
表１
Figure 2020527243
上記から分かるように、作用電極の半径が減少する場合、最大電界値は向上する。そして、下の表２に示すように、作用電極の突出部の電界の被覆範囲及び強度をシミュレーションする。作用電極は伝統的な平面作用電極である場合、高さが０ミクロンであるため、側壁がなく、１００％、７５％又は５０％最大電界強度がいずれも作用電極の表面上に現れる。そして、下記表２に示すように、作用電極の第２の高さＨ２が０．１５ミクロンである場合、作用電極の頂面から下方の絶縁層に向かって計算すると、７５％最大電界強度は作用電極の頂面から０．０５ミクロン離れる箇所に現れるが、５０％最大電界強度は作用電極の頂面から０．１３ミクロン離れる箇所に現れる。
表２
Figure 2020527243
要するに、本発明の様々な実施形態によれば、バイオセンシング素子は絶縁層から突出した作用電極を有する。電気化学反応において、電界が大きいほど帯電した物体の動きは速くなる。その結果、電流密度が高くなる。
既存の電気化学反応式（ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＭｅｔｈｏｄｓ： ＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．ＡｌｌｅｎＪ．Ｂａｒｄ，ＬａｒｒｙＲ．Ｆａｕｌｋｎｅｒ，Ｗｉｌｅｙ．ＩＳＢＮ：０４７１０４３７２９）は以下の通りである。
Figure 2020527243
ＪＡ（ｘ，ｔ）は帯電した物体Ａの位置ｘ、時間ｔの時の電流密度を示す。ｚＡは帯電した物体Ａの原子価を示す。ＤＡは帯電した物体Ａの拡散係数を示す。ＣＡ（ｘ，ｔ）は帯電した物体Ａの位置ｘ、時間ｔの時の濃度を示す。ε（ｘ）は帯電した物体Ａが位置ｘで受けられた電界を示す。この突出した作用電極により電界被覆範囲を広くし、当該広い電界被覆範囲により、帯電した物体の移動が影響され、電気化学反応の効率の向上に寄与し、更に信号の強度を強める。これにより、本発明の実施形態による作用電極幅は従来の平面電極よりも面積が小さく、更に感度を向上させる。
上記は、複数の実施例の特徴的な構造を概述したが、当業者が本開示の態様をよりよく理解できるようにする。当業者が了解すべきなのは、本文に紹介された実施例の同じ目的を実施すること及び／又は同じメリットを実現するために、本開示をその他のプロセス及び構造を設計したり修正したりする基礎として容易に使用することができることである。当業者が了解すべきなのは、このような等価的な構造は本開示の精神及びカテゴリーから逸脱しなく、且つ、本開示の精神及カテゴリーから逸脱しない場合に、本開示に各種の変化、取り替え及び変更を行うことができることでもある。
１００、２００ バイオセンシング素子
１０２、１０３、２０２、２０３、３０２、３０３ 基板
１０４、２０４、３０４ 第１の絶縁層
１０５、１０９、１１３、２０５、２０９、２１３、３０７、３１１、３１３ 上面
１０６、２０６ 金属導電層
１０７、２０７、２１１、３０５、３０９、１１１ 側壁
１０８、２１８、３０８ 第２の絶縁層
１１０、２１２、３１０ 作用電極
１１２、３１４ 生物学的プローブ
２０８ 導電層
２１０、２１４ フォトマスク
２１６ 絶縁材料層
３００ バイオセンシング装置
３０６ａ、３０６ｂ 金属層
３１２ 対電極
３１６ 信号検出ユニット
３１８ ワイヤ
Ｈ１ 第１の高さ
Ｈ２ 第２の高さ
Ｅ、Ｅ７５、Ｅ５０ 電界

Claims (10)

  1. 基板を提供する工程と、
    上面を有する金属導電層を前記基板の上に形成する工程と、
    複数の作用電極を前記金属導電層の前記上面に形成して、前記金属導電層の前記上面よりも高い頂面を各前記作用電極に持たせる工程と、
    前記金属導電層を覆い且つ前記作用電極を囲む絶縁層を形成し、前記絶縁層の上面が前記頂面と前記金属導電層の前記上面との間にあるので、前記作用電極を前記絶縁層の前記上面から突出させる工程と、
    を含むことを特徴とするバイオセンシング素子の製造方法。
  2. 各前記作用電極は、０．１２５〜７．５であるアスペクト比を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記絶縁層を形成する工程は、
    絶縁材料層を前記金属導電層及び前記作用電極の上に堆積する工程と、
    前記絶縁材料層に対して平坦化プロセスを実行して、平坦化された絶縁材料層を形成する工程と、
    前記平坦化された絶縁材料層をエッチングして、前記絶縁層を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 核酸、細胞、抗体、酵素、ポリペプチド、又はそれらの組み合わせである生物学的プローブを、前記作用電極に接続させる工程を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 基板と、
    前記基板の上に配置され、且つ上面を有する金属導電層と、
    前記金属導電層の前記上面の上に配置され、それぞれ前記金属導電層の前記上面よりも高い頂面を含む複数の作用電極と、
    前記金属導電層を覆い且つ前記作用電極を囲み、上面が前記頂面と前記金属導電層の前記上面との間にあるので、前記作用電極を前記絶縁層の前記上面から突出させる絶縁層と、
    を含むことを特徴とするバイオセンシング素子。
  6. 各前記作用電極は、０．１２５〜７．５であるアスペクト比を有することを特徴とする請求項５に記載のバイオセンシング素子。
  7. 各前記作用電極は、前記上面の第２の高さから突出し、且つ前記第２の高さが０．０１ミクロン〜０．５ミクロンであることを特徴とする請求項５に記載のバイオセンシング素子。
  8. 核酸、細胞、抗体、酵素、ポリペプチド、又はそれらの組み合わせである生物学的プローブを、前記作用電極に接続させる工程を更に備えることを特徴とする請求項５に記載のバイオセンシング素子。
  9. 標的分子を含むサンプルを提供する工程と、
    請求項５に記載のバイオセンシング素子を提供する工程と、
    生物学的プローブを前記作用電極に接続する工程と、
    電圧を前記作用電極に印加して、前記作用電極を囲む電界を前記作用電極に発生させる工程と、
    前記サンプルと前記生物学的プローブを接触させて、前記サンプルにおける前記標的分子と前記生物学的プローブとを結合させて、更に、前記作用電極に信号を発生させる工程と、
    を備えることを特徴とする生体分子の検出方法。
  10. 前記電圧を前記作用電極に印加する工程は、電圧を前記作用電極に印加して、７５％の前記電界の最大強度が前記絶縁層の前記上面から２７％〜４０％の前記第２の高さの箇所に現れるようにする工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
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