JPH02170044A - イオンセンサ - 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
オンセンサに関し、特にその組立構造に関する。

〔従来の技術〕

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カラス電極型のイオンセンサ
に代わり、宮原裕−他による電子通信学会技術研究会資
料ＣＰＭ８　］、　−９３，１９８１年、第６１頁に記
載の論文「半導体技術を用いたバイオセンサ」に述べら
れているように、最近、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
果トランジスタ（以下Ｉ　５ＦＥＴと呼称する）により
、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　５ＦＥＴを流れる電流変化からイ
オン濃度を検出する■５ＦＥＴイオンセンザの開発が行
われている。このｌ５ＦＥＴイオンセンザは応答速度が
早いので溶液のイオン濃度をリアルタイムてかつ連続し
て測定でき、半導体集積化技術により大量生産か容易で
あるため低価格性で、さらに小型なのて取り扱いが容易
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図に示すように、例えは５Ｏ３（シリコン
・オン・サファイア）基板を用いてソース、トレイン、
ゲート絶縁膜から構成され互いに独立した２個のｌ５Ｆ
ＥＴの一方のｌ５ＦＥＴ２−１上に酵素固定化膜５と、
他方のｌ５ＦＥＴ２−１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たセンサチップ１をその一部
が突出するように、例えばフレキシブル・プリント基板
（以下、ＦＰＣ基板と呼称する）で作成したリード電極
基板７の先端部に例えば常温硬化型のエポキシ系の接着
剤６１て固定し、センサチップ１とリード電極基板７と
の引き出し電極３．８との間をボンディングワイヤ６２
で接続した後、接続部周辺を例えば常温硬化型のエポキ
シ系の接着剤６３で絶縁封止したものである。酵素固定
化膜５が固定化されたｌ５ＦＥＴＩ−１は測定溶液のイ
オン濃度を検出し、参照Ｗｉ６が固定化されたＩ　５Ｆ
ＥＴ２−２は測定溶液と反応しないが、二つのｌ５ＦＥ
Ｔ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回部となっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述したような従来のｌ５ＦＥＴイオンセンサは溶液中
て使用されるため耐水性に優れた絶縁封止が要求される
。従って組立に当たっては特にセンサチップとリート電
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、さらには既に酵素膜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。酵素膜は温度に対して鋭敏で、例えば６
０℃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
か充分てなく溶液中で漏れが発生して動作しないとか、
このような接着剤は粘度か高く封止作業時にボンデイン
クワイヤが変形してワイヤの断線とかワイヤ間短絡か発
生し不良になる欠点があった。

本発明はこのような問題点を解決し、絶縁封止性に優れ
るとともに組み立の作業性に優れ製造コストが安価なイ
オンセンサを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によるイオンセンサは、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含むセ
ンサチップとリード電極基板が、前記センサデツプ及び
リード電極基板各々の引き出し電極同士が対向する向き
で層間絶縁層で固定されるとともに前記引き出し電極同
士は前記層間絶縁層に設けた開口部において金属バンプ
で接続され、かつ前記金属パンツ部の外周に金属ダムが
設けられているというものである。

〔作用〕

このような構成をとることによって、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金属ダムと眉間絶
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
ンプの形成は酵素固定化膜の固定化と切り離して行うこ
とができるため温度制限がないので絶縁性と密着性に優
れた絶縁材料を選択して使用ができる。さらにセンサチ
ップとリート電極基板の各々の層間絶縁膜同士と、電気
的接続を行う金属バンプ同士を超音波溶接により全て同
時に行うことができるのて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１０ミリ秒の短時間で
行えるのて、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
説明するための斜視模式図である。

第１図において、１はセンサチップで５Ｏ８（シリコン
・オン・サファイア）基板を用いてソース電極、トレイ
ン電極、ゲート絶縁膜（特に図示していない）から成る
２個のｌ５ＦＥＴ２のソース、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およびその先端部以外を
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ｌ５ＦＥＴの一方（２−１）には酵素固定
化膜５が、他方（２−２）には失活した酵素膜による参
照膜６が形成されている。７は例えばＦＰＣ基板で作成
されたリード電極基板で前記ｌ５ＦＥＴ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
って被覆され、図示していないがリード電極基板７を延
長した先端はカードコネクタ状に加工されている。

センサチップ１とリード電極基板７にはその先端部分の
複数の引き出し電極３，８に対応する位置に複数の開口
１１を有した例えばボイリミド樹脂から成る眉間絶縁層
１０が設けられている。さらに、開口１１の周囲を囲む
ように金属ダム用開口１３がそれぞれ設けられている。

複数の開口１１の各々は例えば半田から成る金属バンプ
１２で埋め込まれ、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。金属ダム用開口１３には金属ハ
ンプ１２を形成する時に同時に金属タム１４を形成する
。

第２〜第５図は、第１図に示す本発明によるイオンセン
サの実施例の製造方法を説明するための図である。第２
図は以下に詳述する第一の工程によりｌ５ＦＥＴが形成
されたウェーハに層間絶縁層と金属バンプを形成した状
態を示す。ｌ５ＦＥＴ２は例えば厚さ３５０μｍ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２
０に半導体集積化技術を用いて、エツチングで島状シリ
コン層を形成した後イオン注入法てホー素をドープして
ｐ層、さらにリンをドープしてｎ＋のソース領域とドレ
イン領域を作り、次に熱酸化で厚さ１０００人の酸化シ
リコン層を形成した後、表面全体にＣＶＤ　（ケミカル
・ペーパー・デポジション）法で窒化シリコン層を約１
０００人の厚さに形成したものである。

ソース領域とドレイン領域からは例えばアルミニューム
を蒸着しフォトエツチングすることで形成した引き出し
電極３が引き出されている。この時点において引き出し
電極は電気めっき法による半田めっきのためウェーハ全
域にわたって共通に結ばれ、後述する第二の工程におけ
るチップ化のためのダイシングにより個々に分離される
ように設計されている。

このような複数のｌ５ＦＥＴが形成されたウェーハに対
して、まず絶縁樹脂（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ウェーハ全面に
塗布し１５０℃で３０分間プリベークして厚み約１０μ
ｍの眉間絶縁層１０を形成し、さらに眉間絶縁膜の引き
出し電極に対応した一部に、フォトレジストにより開ロ
バターンを設けて通常行われるドライエツチング法によ
って開口１１と開口１３を形成する。次に半田めっき法
で複数の開口１１と開口１３に半田から成る金属バンプ
１２と金属ダム１４を形成する。半田めっき浴としては
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９：１のものを用いた。金属バンプ
１２の半田めっき厚みは眉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。

第３図は以下に詳述する第二の工程により、第一の工程
が完了したウェーハ内の各ｌ５ＦＥＴに酵素固定化膜５
と参照膜６を形成した状態を示す図である。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（例えばシプレー社ＡＺ１４５０Ｊ）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ｌ５ＦＥＴ部のフォトレジスト
を除去する。次に、酵素を含まない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５００μ！と０．７５％グリタルアルテヒド水溶液５
００μｅとを攪はん混合した溶液をウェーハ全面にスピ
ン塗布し室温で３０分程度放置して乾燥した後、該ウェ
ー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
することで参照用ｌ５ＦＥＴが形成される。次に、再び
前述と同様の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Ｉ　５ＦＥＴ部のフォトレジストを除
去し、１５％牛血清アルブミンを含む０．２モル、Ｐ　
Ｈ８，５のトリス−塩酸衝撃液２５０μｌに、同じ緩衝
液て調整した１００ｍｇ／ｄｆｆのウレアーゼ（ヘーリ
ンガー・マンハイム社製、約５０Ｕ／ｍｇ）溶液２５０
ｔｔ（２を加え、０．７５％Ｏグルタルアルデヒド水溶
液５００μｌとを攪はん混合した溶液をスピン塗布し、
室温に３０分放置して乾燥した後、該ウェーハをアセ１
〜ン溶液に浸して）オｌ−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
で酵素膜を固定化したｌ５ＦＥＴが形成される。本実施
例では尿素を検出する場合を例示したが、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。

酵素固定化膜を本実施例の場合窒化シコン膜への密着性
も良好であったが、さらに密着性を向上させるために酵
素固定化膜の塗布の前にプライマー処理を行うことも可
能である。前述の工程が終了したウェーハをタイシンク
ソーにより切断しスフライフ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。本例で得られたチ
ップサイスは幅０．６朋、長さ４　ｍｍである。

第４図は以下に詳述する第三の工程によって作成された
リード電極基板を示す図である。例えばポリイミド樹脂
をヘースとしたＦＰＣ基板を用い所定の引き出し電極８
とその先端部を除いた部分への絶縁膜つがあらかしめ加
工されたリート電極基板７に、絶縁樹脂（例えばテユボ
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℃て３０分間プ
リベークして厚み約１０μｎ１の層間絶縁層１０を形成
し、さらに層間絶縁膜の引き出し電極８に対応した一部
に、フォトレジストにより開ロバターンを設けて通常行
われるドライエツチング法によって開口１１と開口１３
を形成する。次に半田めっき法て複数の開口１］と開口
１３に半田から成る金属バンプ１２と金属ダムを形成す
る。半田めっき浴としては有機酸浴（例えばレイボルト
社製スロットレッｌ−Ｋ　）ですず対鉛の析出比が９１
のものを用いた。金属バンプ１２の半田メツキ厚みは眉
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。この工程はリート電極基板−個についても
加工可能であるが、量産性や仕上がりの均一性のために
はその複数個を含むシート状で加工を行い、その完了後
に個々にカッティングして個別化する法が具合が良い。

第５図は以下に詳述する第四の工程を示すための図で、
各々層間絶縁膜と金属バンプと金属ダムを形成したセン
サチップ１とリード電極基板７とを超音波溶接する状態
を示したものである。図示したようにセンサデツプ１と
リート電極基板７の各々の開口部１１を互いに向き合う
ように重ね合わせ、センサチップ］が下になるように金
属製の載置台５０に置き、上方から超音波ポーン５１を
圧接しながら超音波発振器５２を作動させてセンサデツ
プ１とリート電極基板７のおのおのの層間絶縁膜１０と
金属ハンプ３，８同士と金属ダム１４同士を溶接する。

本例において、超音波発振器として発振周波数２８ｋＨ
ｚ、出力１５０Ｗのものを用い、超音波ホーンを押し付
けなから振幅１０μｍの横振動を０．０４秒間付与する
ことで行った。

以上により組立てたイオンセンサを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
溶液間の漏れ電流を調べたところ機能上問題となる漏れ
は発見てきなかった。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明によるイオンセンサは、セン
サチップとリート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と金属りム
により取り囲まれて完全な絶縁封止が行われ、しかも絶
縁封止ど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ｌ−を実現することが
可能である。

【図面の簡単な説明】

］　３ によるイオンセンサの製造工程を説明するための工程順
の斜視模式図、第６図は従来のイオンセンサの構造の一
例を示す斜視模式図である。 １・・センサチップ、２−１．２−２・イオン感応性電
界効果トランジスタ、３・・引き出し電極、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、８・・・引き出し電極、９・絶縁膜、１
０・・層間絶縁膜、］１・・・開口部、１２・・・金属
バンプ、１３・・・開口部、１４・・・金属タム、５０
・・載置台、５１・・・超音波ホーン、５２・・・超音
波発振器、６１・・・接着剤、６２・・・ボンデインク
ワイヤ、６３・・・接着剤。 代理人　弁理士　　内　原　　晋

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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
   果トランジスタを含むセンサチップとリード電極基板が
   、前記センサチップ及びリード電極基板各々の引き出し
   電極同士が対向する向きで層間絶縁層で固定されるとと
   もに前記引き出し電極同士は前記層間絶縁層に設けた開
   口部において金属バンプで接続され、かつ前記金属バン
   プ部の外周に金属ダムが設けられていることを特徴とす
   るイオンセンサ。