JPH01176935A - イオンセンサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はイオン感応性電界効果トランジスタを用いたイ
オンセンサおよびその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、溶液中のイオン濃度を測定する方法としては、溶
液とガラス電極との電位差がイオン濃度により変化する
ことを利用し高入力インピーダンスの電圧計で測定した
電圧変化からイオン濃度を求めるガラス電極型の測定法
があるが、最近これに代り、一種のシリコン電界効果ト
ランジスタの表面に酵素膜を固定化したイオン感応性電
界効果トラシジスタ（以下ｌ８ＦＥＴという）によシ、
ｌ５ＦＥＴと溶液との間に発生する電圧をゲート電圧と
して作用させ、Ｉ　Ｓ　Ｆ　Ｅ　Ｔを流れる電流変化か
らイ′オン磯度を検出する方法が開発されている（宮原
裕二他、［半導体技術を用いたバイオセンサ」、電子通
信学会技術研究会資料ＣＰＭ８１−９３、Ｐ、６１．１
９８１年）。このｌ８ＦＥＴイオンセンサは、応答速度
が早いので溶液のイオン濃度ｔ−ＩＪアルタイムでかつ
連続して測定でき、半導体集積化技術により大量生産が
容易であるため低価格性で、さらに小型なので取シ扱い
が容易であるなどの長所がある。

従来、本発明者等が開発して来たｌ５ＦＥＴイオンセン
サの構造は、第６図に示される。例えば、ＳＯＳ　（シ
リコン・オン・サファイア）基板を用いてンース、ドレ
イン、ゲート絶縁膜からなり互いに独立した２個のｌ５
ＮＥＴ２ｔ−設け、これらＩＳＦ’ＥＴ２の一方のｌ８
ＦＥＴ上に酵素固定化膜５および他方のＩ　Ｓ　Ｆ　Ｅ
　Ｔ上に失活した酵素膜による参照膜６がそれぞれ固定
化されてセンサチップ１を構成している。このセンサチ
ップ１の一部が突出するように、フレキシブル・プリン
ト基板（以下、ＦＰＣ基板という）で作成したリード電
極基板７の先端部に常温硬化型のエポキシ系の接着剤６
１で固定し、そのセンサチップｌとリード電極基板７と
の引き出し電極３，８との間をボンデングワイヤ６２で
接続した後、接続部周辺を常温硬化型のエポキシ系の接
着剤６３で絶縁封止している。この酵素固定化膜５が固
定化された工５ＦＥＴは測定溶液のイオン濃度を検出し
、参照膜６が固定化されたｌ５ＦＥＴは測定溶液と反応
しないが、二つのｌ５ＦＥＴの出力差を測定することで
温度変化などによるドリフトが相殺され安定な測定が可
能となっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述したような従来のｌ５ＦＥＴイオンセンサは、溶液
中で使用されるため耐水性に優れた絶縁封止が要求され
る。従ってその組立に当たっては、特にセンサチップと
リード電極基板の引き出し電極との接続部周辺の絶縁封
止がポイントであり、さらに酵素膜５という生き物が付
いているものを扱うので、接着剤や絶縁封止材料の選定
およびその作業条件が限定される。この酵素膜は温度に
対して鋭敏で、例えば６０℃の温度に１０分程度さらす
とその機能を失ってしまうので、従来、接着剤や絶縁封
止材料には常温で硬化するエポキシ系の接着剤を用いて
いる。このため、接着力が充分でなく溶液中でリークが
発生して動作しないとか、このような接着剤は粘度が高
く封止作業時にボンデングワイヤが変形してワイヤの断
線とかワイヤ間短絡が発生し不良になる欠点があった。

さらに、このような方法によるイオンセンサの組立は、
■センサチップのリード電極基板への接着固定、■セン
サチップ電極とリード電極基板の引出し電極同士の接続
、■電極露出部の絶縁封止の３段階の工程を経るととも
に、接着剤の硬化を常温で行うので時間がかがジ能率が
悪く、高コストになる欠点があった。

本発明の目的は、このような問題点を解決し、絶縁封止
性に優れると共に、組み立ての作業性に優れ製造コスト
が安価なイオンセンサおよびその製造方法を提供するこ
とある。

〔問題を解決するための手段〕

本発明のイオンセンサの構成は、少なくも酵素固定化膜
を具備したイオン感応性電界効果トランジスタを有する
センサチップと、このセンサチ。

ブの引出し電極と接続される引出し電極を有するリード
電極基板とが、前記各引出し電極同士が対向する向きで
層間絶縁層を介して固定されると共に、前記引出し電極
同士が前記層間絶縁層に設けた開口部において導体部を
介して接続されたことを特徴とする。

本発明のイオンセンサの製造方法の構成は、イオン感応
性電界効果トランジスタが複数にわたり形成されたウェ
ハにそのイオン感応性電界効果トランジスタの部分を除
きその引出し電極の一部に開口部ケもつ第１の層間絶ｔ
ｊＶＭｋ形成しかつ前記開口部に第１の導体部全形成す
る工程と、前記ウェハ上の複数のイオン感応性電界効果
トランジスタに酵素固定化膜を固定化したあと前記ウェ
ハを所定のチップ状に切断し１センサチツプを形成する
工程と、引出し電極を備えたリード電極基板にその引出
し電極の一部に開口部をもつ第２の眉間絶縁層を形成し
その開口部に第２の導体部を形成する工程と、前記セン
サチップと前記リード電極基板の各々の開口部を一致さ
せて超音波全印加し前記第１および第２の眉間絶縁層と
前記第１および第２の導体部を同時に接合する工程とか
ら成ること４Ｉ：％徴とする。

〔作用〕

本発明の構成勿とることによって、センサチ。

プとリード電極基板との電気的接続部周辺は層間絶縁層
によって完全に取り囲まれて良好な絶縁封止が達成され
る。また、その製造にあっては、層間絶縁層と金属バン
プの形成を酵素固定化膜の固定化と切り離して行うため
温度制限がないので絶縁性の密着性に優れた絶縁材料を
選択して使用することができる。さらに、センサチップ
とリード電極基板の各々の層間絶縁層同士と、電気的接
続を行う金属バンプ同士、しかもその複数箇所を超音波
溶接により全て同時に行うことができるので組立工程が
簡略化され低コストが達成される。超音波溶接は数ｌＯ
ミリ秒の短時間で行えるので、溶接時の温度上昇による
酵素膜の劣化などへの影響は無い。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明によるイオンセンサの構造の一実施例を
説明する模式的斜視図である。第１図において、センサ
チップｌは、ＳＯ８（シリコン・オン・サファイア）基
板（２０）の上にンース電極。

ドレイン電極、ゲート絶縁膜を形成し７’ｃ２個の工５
ＦＥＴ２とンース、ドレイン両電極から引き出された複
数の引き出し電極３とを設け、その先端部以外を覆う絶
縁保護膜４が半導体集積化技術により形成されている。

２個のＩ　Ｓ　ｋ’　Ｅ　Ｔ　２の一方には酵素固定化
膜５が、他方には失活した酵素膜による参照膜６が形成
されている。一方、ＦＰＣ基板で作成されたリード電極
基板７は、ｌ５ＦＥＴ２の引き出し電極３に一対一に対
応した複数の引き出し電極８を有し、その先端部を除く
表面はポリイミドフィルムによる絶縁膜９で被覆され、
図示していないがリード電極基板７金延長した先端はカ
ードコネクタ状に加工されている。このセンサチップｌ
とリード電極基板７には、複数の引き出し電極３，８上
の先端部の位置に複数の開口ｌｌを有したポリイミド樹
脂から成る層間絶縁層１０が設けられている。これら複
数の開口１１の各々には導体部として半田から成る金属
バンプ１２が形成され、複数の引き出し電極３，８との
間を電気的に接続している。

第２図〜第５図は、第１図の実施例の製造方法を工程順
に説明する斜視図である。

第２図は第一の工程によりｌ５ＦＥＴ２が形成されたウ
ェハに層間絶縁層と金属バンプを形成した状態を示す。

ＩＳＦ’ＥＴ２は、厚さ３５０　ｐｍのサファイア上に
ノンドープのシリコンが０．６μｍの厚さにエピタキシ
ャル成長された直径２インチのＳＯ８基板２０に半導体
集積化技術を用いて、工、チングで島状シリコン層を形
成し、イオン注入法でホウ素全ドープしてｐ層、さらに
リンをドープしてｎのンース領域とドレイン領域を作り
、次に熱酸化で厚さ１ｏｏｏＡの酸化シリコン層を形成
した後、表面全体にＣＶＤ法で窒化シリコン層を約１０
００大の厚さに形成し、さらにアルミニ−ムを蒸着しフ
ォトエツチングすることにより、ンース領域とドレイ領
域につながる引き出し電極３を形成することで作成され
る。ここで引出し電極３は後工程の電気メツキ法による
半田メツキ時の共通電極となるようウェハ全域にわたっ
て共通に結ばれ、後述する第二の工程でのダイシングに
よシ個々に分離されるように設計されている。

このような複数のｌ５ＦＥＴ２が形成されたウェハに対
して、まず絶縁１Ｍ脂（例えばデュポン社製Ｐ　Ｉ　２
５５５ポリイミド樹脂）をスピン塗布によってウェハ全
面に塗布し１５０℃で３０分間プリベークして厚み約１
０μｍの第１の層間絶縁層ｌＯを形成し、さらにこの層
間絶縁層１０の引き出し電極上の一部に、フォトレジス
トによる開ロバターンを設けて通常のドライエツチング
法によって開口１１を形成する。次に半田メツキ法で複
数の開口１１に第１の導体部として半田から成る金属バ
ンプ１２を形成する。半田メツキ浴としては有機酸浴（
例えばレイボルド社製スロットレットＫ）ですず対鉛の
析出比が９：ｌのものを用いた。この半田メツキによる
金属バンプ１２の厚みは眉間絶縁層１０の厚みよりわず
かに数μｍ突出するような状態が好ましい。

第３図は第二の工程により、第一の工程が完了したウェ
ハ内の各ＩＳＩ”ＥＴ２に酵素固定化膜５と参照膜６を
形成した状態を示す。ここでは酵素と架橋剤を含む蛋白
質溶液の一例として尿素を検出する場合について説明す
る。まず、スピン塗布によりフォトレジスト（例えばシ
ブレー社ＡＺ１４−５０Ｊ）を塗布し６０℃で乾燥した
後、フォトマスクを用い露光、現像して参照膜が設けら
れるｌ８ＦＥＴ上のフォトレジストを除去する。次に、
酵素を含まない１５チ牛血清アルブミンを含む０．２モ
ル、ＰＨ８，５のトリス−塩酸緩衝液５００μｌと０．
７５　％グルタルアルデヒド水溶液５００μｌとを攪拌
混合した参照膜用溶液をウェハ全面にスピン塗布し、室
温で３０分程度放置して乾燥した後、そのウェハをアセ
トン溶液に浸してフォトレジスト膜を溶解して、フォト
レジスト上に塗布されていた固定化膜を除去することに
より、参照用ｌ５ＦＥＴ上にのみ参照膜６が形成される
。

次に、再びフォトレジスト工程を繰り返し、酵素固定化
膜が設けられるｌ５ＦＥＴ上のフォトレジス）ｆ除去し
、１５％牛血清アルブミンを含む０、２モル、ＰＨ８，
５のトリス−塩酸緩衝液２５０μｌに、同じ緩衝液で調
製した１　００ｍｇ／ｄｉのウレアーゼ（ベーリンガー
・マンハイム社製、約５０Ｕ／ｍｇ）溶液２５０　ｐｉ
を加え、０．７５　％グルタルアルデヒド水溶液５００
μｌとを攪はん混合した酵素固定化膜用溶液をスピン塗
布し、室温に３０分放置して乾燥した後、そのウェハを
アセトン溶液に浸してフォトレジスト膜全皺解して、フ
ォトレジスト上に塗布されていた固定化膜を除去するこ
とで酵氷固定化Ｉ８１’ＥＴ上にのみ酵素固定化膜が形
成される。

本実施例では尿素全検出する場合で例示したが、この他
同様の方法で種々の酵素固定化膜を用いることが可能で
ある。本実施例の場合、酵素固定化膜は窒化シリコン膜
への密着性も良好であったが、さらに密着性を向上させ
るために酵素固定化膜のの塗布の前にプライマー処理を
行うことも可能である。前記工程が終了したウエノＳを
ダイシングンーにより切断しスクライプすることでシン
グルチップ化されたセンサチップ１が得られる。本実施
例で得られたチップサイズは幅Ｑ、　５　ｍｍ、長さ４
ｍｍである。

第４図は第三の工程によって作成されたリード電極基板
を示す。ポリイミド樹脂をベースとしたＦＰＣ基板を用
い所望の引き出し電極８とその先端部を除いた部分は、
ポリイミドフィルムによる絶縁膜９があらかじめ加工さ
れたリード電極基板７に、絶縁樹脂（例えばデュポン社
製ＰＩ２５５５ポリイミド樹脂）をスピン塗布によって
リード電極基板全面に塗布し、１５０℃で３０分間プリ
ベークして厚み約１０μｍの第２の層間絶縁層１０を形
成し、さらに層間絶縁層の引き出し電極８上の一部に、
フォトレジストによる開ロバターンを設けて通常のドラ
イエツチング法によって開口ｌｌを形成する。次に半田
メツキ法により、複数の開口ｌｌに第２の導体部として
半田から成る金属バンプ１２ｔ−形成する。半田メツキ
浴としては有機浴（例えばレイボルド社製スロットレッ
トＫ）ですす灯船の析出比が９＝１のものを用いた。半
田メツキによる金属バンプ１２の厚みは層間絶縁層の厚
みよりわずかに数μｍ突出するような状態が好ましい。

この工程はリード電極基板−個についても加工可能であ
るが、量産性や加工均一性のために社その複数４Ｉ４を
含むシート状で加工を行い、その完了後に力、テンプし
て個別化する方が具合が良い、。

第５図は第四の工程における各々層間絶縁層と金属バン
プを形成したセンサチップｌとリード電極基板７とを超
音波溶接する状態を示している。−図示したようにセン
サチップｌとリード電極基板７の各々の開口部１１とが
互いに向き合うように重ね合わせ、センサチ、プｌｔ−
下側にして金属製の載置台５０に置き、上方から超音波
ホーン５１金圧接しながら超音波発振器５２を作動させ
てセンサチップｌとリード電極基板７の第１および第２
の各層間絶縁層１０と第１および第２の各導体部の金属
バンプ１２同士を溶接する。本実施例において、超音波
発振器として発振周波数２８　ＫＨｚ　。

出力ｔｓｏｗのものを用い、超音波ホーンを押し付けな
がら振幅ｌＯμｍの横振動を０．０４秒間付与すること
で行った。

以上のように組立てたイオンセンサ′ｌｔ０．９　％塩
化ナトリーーム水溶液に入れリード電極基板の引き出し
電極と水溶液間のリーク電流を調べたところ、機能上問
題となるリークは無かった。

次に、本発明の第２の実施例として導体部がポリマー型
導電体バンプの場合を説明する。

この場合は、第１図における半田の金属バンプ１２の代
りにポリマー型銀ペーストからなるポリマー型導電体バ
ンプを用いればよく、例えばエポキシ樹脂と銀粒子をペ
ースとしたシントーケミトロン製のに−３０８０を用い
ることができる。

このポリマー型半導体ペースｌ用いた製造方法は、第２
図の第一工程および第４の第三工程において、この導電
体ペース）ｆマイクロ・デイスペンサを用いて複数の開
口１１に注入し、１２０℃で１５分間焼成してポリマー
型導電体バンプを形成すればよい。この場合も、ポリマ
ー型導電体バンプの厚さは眉間絶縁膜の厚さよりわずか
数μｍ突出するような状態が好ましい。なお、眉間絶縁
層およびポリマー型導電体は、共に樹脂を主成分として
いるので超音波溶接の接合性に優れ、良好な接合が得ら
れる。

以上のように組立てたイオンセンサ’ｔ−０，９％塩化
ナトリューム水溶液に入れリード電極基板の引き出し電
極と水溶液間のリーク電流を調べたところ、機能上問題
となるリークは無かった。　　　　　７以上詳述した第
２の実施例において、センサチップとリード電極基板へ
の眉間絶縁層の形成方法はポリイミド樹脂をスピン塗布
しドライエツチングして開口を形成する方法について説
明したが、この他にも通常のスクリーン印刷法により開
口のパターンを有したスクリーン版を用い、例えばポリ
イミド樹脂を印刷し焼成することによっても可能であり
、さらにポリマー型導電体の形成をマイクロ・デイスペ
ンサに代わって同様なスクリーン印刷法で行うことも可
能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によるイオンセンサは、セン
サチップとリード電極基板との電気的接続部周辺は絶縁
性に優れた材料を選択して用いた層間絶縁層により完全
に取り囲まれて完全な絶縁封止が行われ、しかも絶縁封
止と電気的接続を超音波溶接により同時にしかも短時間
で組立られるので低製造コス）１−実現することが可能
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるイオンセンナの一実施例を模式的
に示す斜視図、第２図〜第５図は本発明によるイオンセ
ンサを製造工程順に説明した斜視図、第６図は従来のイ
オンセンサの構造の一例金模式的に示す部分破砕斜視図
である。 １・・・・・・センサチップ、２・°゛°゛イオン感応
性電界効果トランジスタ、３，８・・・・・・引出し電
極、４・・・・・・絶縁保護膜、５・・・・・・酵素固
定化膜、６・・・・・・参照膜、７・・・・・・リード
電極基板、９・・・・・・絶縁膜、１０・・・・・−層
間絶縁層、１１・−・・・・開口、１２・・・・・・金
属バンプ、５ｏ・・・・・・載置台、５１・・・・・・
超音波ホーン、５２・・・・・・超音波発振器、６１．
６３・・・・・・接着剤、６２・・・・・・ボンデング
ワイヤ。 代理人　弁理士　　内　原　　　晋 α〕

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも酵素固定化膜を具備したイオン感応性
   電界効果トランジスタを有するセンサチップと、このセ
   ンサチップの引出し電極と接続される引出し電極を有す
   るリード電極基板とが、前記各引出し電極同士が対向す
   る向きで層間絶縁層を介して固定されると共に、前記引
   出し電極同士が前記層間絶縁層に設けた開口部において
   導体部を介して接続されたことを特徴とするイオンセン
   サ。
2. （２）導体部が金属バンプである特許請求の範囲第１項
   記載のイオンセンサ。
3. （３）導体部がポリマー型導電体バンプである特許請求
   の範囲第１項記載のイオンセンサ。
4. （４）イオン感応性電界効果トランジスタが複数にわた
   り形成されたウェハにそのイオン感応性電界効果トラン
   ジスタの部分を除きその引出し電極の一部に開口部をも
   つ第１の層間絶縁層を形成しかつ前記開口部に第１の導
   体部を形成する工程と、前記ウェハ上の複数のイオン感
   応性電界効果トランジスタに酵素固定化膜を固定化した
   あと前記ウェハを所定のチップ状に切断してセンサチッ
   プを形成する工程と、引出し電極を備えたリード電極基
   板にその引出し電極の一部に開口部をもつ第２の層間絶
   縁層を形成しその開口部に第２の導体部を形成する工程
   と、前記センサチップと前記リード電極基板の各々の開
   口部を一致させて超音波を印加し前記第１および第２の
   層間絶縁層と前記第１および第２の導体部を同時に接合
   する工程とから成ることを特徴とするイオンセンサの製
   造方法。
5. （５）第１および第２の導体部が金属バンプである特許
   請求の範囲第４項記載のイオンセンサの製造方法。
6. （６）第１および第２の導体部がポリマー型導電体バン
   プである特許請求の範囲第４項記載のイオンセンサの製
   造方法。