KR100439645B1 - 다공성 실리콘을 이용한 은/염화은 박막 기준전극 제작 방법 - Google Patents

다공성 실리콘을 이용한 은/염화은 박막 기준전극 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다공성 실리콘을 이용한 효소고정화 전극 및 은/염화은 박막기준 전극 제작에 관한 것으로 전기화학적 식각법을 이용한 실리콘웨이퍼에 다공성 실리콘 층을 형성하는 단계와, 감광제 도포하는 단계와, 자외선 조사하는 단계와, 자외선에 조사된 영역의 감광제를 용해시키는 단계와, Ti층을 스퍼터링하는 단계와, Ag 박막 전극 형성 및 리프트 오프 공정 수행 단계와, FeCl3용액에 1분간 딥핑 (dipping)하여 AgCl 층을 형성하는 단계로 이루어짐으로서 효소전극 및 기준전극을 실리콘웨이퍼 상에 구현시, 전극의 박막화에 따른 금속 박막 전극과 박막 전극에 증착하는 물질사이의 결합력 약화에 따른 제반 문제를 다공성 실리콘을 이용하여 해결함으로써 전체적인 마이크로 전극 시스템의 안정성과 재현성을 크게 향상시킬 수 있고 제품 개발에 있어 가장 큰 기술적인 문제가 해결됨으로써 소형화와 대량생산화가 용이한 뛰어난 효과가 있다.

Description

다공성 실리콘을 이용한 은/염화은 박막 기준전극 제작 방법 {Process for producing standard electrode coated with silver/silver chloride thin layer using a porous}
본 발명은 다공성 실리콘을 이용한 효소고정화 전극 및 은/염화은 박막기준 전극 제작에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 포도당 산화효소(Glucose oxidase), 요소 가수분해 효소(urease), 크레아틴 가수분해 효소(creatinase), 핵산(DNA), 등을 이용한 각종 의료용 센서 및 티로신 산화효소(tyrosinase) 등을 이용한 각종 환경 센서에 적극 상에서의 효소-기질 반응을 응용한 효소전극 제작 시 전극 표면에 효소를 안정적으로 고정화하는 것과 전위차 측정 센서(potent iometric sensor)의 경우 분석 물질의 농도를 전압변화의 형태로 검출하는데 이 경우 흐르는 전류와 무관하게 일정 전위를 갖는 기준전극이 필요한데, 이때 이용되는 다공성 실리콘을 이용한 은/염화은(Ag/AgCl) 박막기준 전극 제작에 관한 것이다.
종래의 기술로 실리콘 기판에 평면 형태로 금속 전극을 증착하고 기능성 분자를 증착하는 기술이 있었다.
그러나, 이러한 종래의 기술은 증착된 기능성 분자(효소, DNA, AgCl)층이 쉽게 탈착되어 신뢰할 수 있는 결과을 얻기 어려운 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 박막 기준 전극 제작시 다공성 실리콘 표면에 증착한 금속 박막(Ag)에 AgCl층을 형성시킴으로써 수용액상에서 박막 기준 전극의 성분이 용출되어 나오는 것을 억제하여 안정적이며 재현성 있는 새로운 형태의 박막 기준전극을 제작하는데 있다.
상기 본 발명의 목적은 전기화학적 식각법을 이용한 실리콘웨이퍼에 다공성 실리콘 층을 형성하는 단계와, 감광제 도포하는 단계와, 자외선 조사하는 단계와, 자외선에 조사된 영역의 감광제를 용해시키는 단계와, Ti층을 스퍼터링하는 단계와, Ag 박막 전극 형성 및 리프트 오프 공정 수행 단계와, FeCl3용액에 1분간 딥핑하여 AgCl 층을 형성하는 단계로 이루어진 다공성 실리콘을 이용한 은/염화은 박막 기준전극 제작 방법을 제공함으로써 달성하였다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 다공성 실리콘을 이용한 은/염화은 박막 기준전극 제작 방법의 공정도,
도 2a는 본 발명의 바람직한 실시예의 다공성 실리콘을 이용한 은/염화은 박막 기준전극의 주사 현미경 위에서 본 사진,
도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예의 다공성 실리콘을 이용한 은/염화은 박막 기준전극의 주사 현미경 단면 사진,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예의 다공성 실리콘을 이용한 은/염화은 박막 기준전극의 염소 음이온 농도에 따른 전압 특성 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 감광제 2 : Ti 층
3 : Ag 박막 전극 4 : AgCl
5 : Pt 박막 전극 6 : 백금전극
7 : 효소
이하, 본 발명의 구성을 바람직한 실시예를 들어 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 바람직한 실시예의 다공성 실리콘을 이용한 은/염화은(Ag/AgCl) 박막 기준전극의 제조 공정도로 다음과 같은 단계로 이루어져 있다.
전기화학적 식각법을 이용한 실리콘웨이퍼에 다공성 실리콘 층을 형성하는 단계(S1)와;
감광제 도포하는 단계(S2)와;
자외선 조사하는 단계(S3)와;
자외선에 조사된 영역의 감광제를 용해시키는 단계(S4)와;
Ti층을 스퍼터링하는 단계(S5)와;
Ag 박막 전극 형성 및 리프트 오프 공정 수행 단계(S6)와;
FeCl3용액에 1분간 딥핑하여 AgCl 층을 형성하는 단계(S7)로 이루어져 있다.
상기 전기화학적 식각법을 이용한 실리콘웨이퍼에 다공성 실리콘 층을 형성하는 단계(S1)는 전기화학적 식각법을 이용하여 실리콘웨이퍼에 다공성 실리콘 층을 형성시키는 것으로 전해질 용액의 조성은 불산(HF, 48%) : 에탄올(Ethanol, 95%) : 증류수(H20, 2차 증류수) = 1:2:1의 부피비로 하며 실리콘웨이퍼를 산화전극, 백금 전극을 환원전극으로 하여 -7㎃/㎠의 일정 전류를 흘려주고 전해질 용액의 조성과 가해주는 전류 값은 웨이퍼의 종류에 따라 달라질 수 있으며 다공성 실리콘 층이 생성될때는 수소가스가 산화전극에서 생성되기 때문에 수소가스 발생에 따른 기포가 발생한다.
상기 감광제 도포하는 단계(S2)는 양성 감광제를 4000rpm에서 30초간 도포하는 것이다.
상기 자외선 조사하는 단계(S3)는 원하는 전극 패턴이 그려진 마스크를 감광제가 도포된 다공성 실리콘 표면에 위치시키고 자외선을 조사한다.
상기 자외선에 조사된 영역의 감광제를 용해시키는 단계(S4)는 현상액에서 30초간 현상하여 상기 자외선 조사하는 단계(S3)에서 자외선에 조사된 영역의 감광제를 용해시킨다.
상기 Ti층을 스퍼터링하는 단계(S5)는 상기 자외선에 조사된 영역의 감광제를 용해시키는 단계(S4)에서 노출된 다공성 실리콘이 산화공정에 의해 형성되었으므로 표면에 이미 실리콘 산화막이 형성되어 있으며 그 위에 130℃이하의 기판온도에서 200Å의 두께로 Ti 층을 스퍼터링 하고 Ti 층은 실리콘웨이퍼와 금속 박막 사이의 접착력을 증가시키는 역할을 하는 것이다.
이때, 200Å 이상의 두께에서는 확산에 의한 박막 전극의 오염이 생길 수 있으며 그 이하의 두께에서는 접착력 향상 효과가 반감될 수 있는 것이다.
상기 Ag 박막 전극 형성 및 리프트 오프 공정 수행 단계(S6)는 1000Å의 두께로 Ag 층을 기화 증착(evaporation)하고 Ag 층의 두께를 1000Å 이상으로 하면 리프트 오프(lift-off) 공정에 의한 박막 전극 형성이 어려워지고 1000Å 미만이면 기준전극으로서의 특성이 저하되며 전극 패터닝에 사용한 마스크 물질로서 유기 물질인 감광제(Photoresist)를 사용하므로 감광제의 연소를 막기 위해 온도는 130℃를 넘지 않도록 하고 따라서, Ag 박막의 코팅에는 열화 기화 증착(thermal evaporation)법보다는 전자 빔 기화 증착(electron-beam evaporation) 법을 이용하고 Ag 박막 증착 후 아세톤 용액에서 감광제를 용해시키며 감광제 위에 코팅된 Ti와 Ag 층을 떨어뜨리는 리프트 오프 공정을 수행하는 것이다.
상기 FeCl3용액에 1분간 딥핑하여 AgCl 층을 형성하는 단계(S7)는 1%의 FeCl3용액에 1분간 딥핑(dipping)하여 AgCl 층을 형성시키는데 이때, 염화철(Ш) 용액(FeCl3용액)에 Ag 박막 전극을 딥핑하면 하기와 같은 반응에 의해 불용성의 AgCl 층이 Ag 박막 전극 상에 형성되는 것이다.
3Ag(s) + FeCl3(aq) → 3AgCl(s) + Fe3+(aq)
도 2a는 바람직한 실시예의 은/염화은(Ag/AgCl) 박막 기준 전극의 주사 전자현미경의 윗면 사진(25㎸ 1000배 확대)이다.
도 2b는 바람직한 실시예의 은/염화은(Ag/AgCl) 박막 기준전극의 주사 전자현미경의 단면 사진(25kV 1000배 확대)이다.
도 3은 바람직한 실시예의 은/염화은(Ag/Cl) 박막 기준 전극의 염소 음이온 농도에 따른 전압특성 곡선 그래프로 기울기 52㎷/pCl-로서 염소 음이온이 농도가 10배 증가함에 따라 전위가 52㎷ 씩 감소함을 나타내고 있으며 상기 52㎷/pCl-의 pCl-는 pH가 -log[H+]를 의미하듯이 -log[Cl-]를 의미하므로 염소 음이온 농도가 10배씩 증가함에 따라 전압이 52㎷씩 감소한다는 것이고 네른스트(Nernst)식에 의하면 이론상 59㎷ 씩 감소하여야 하나 기준전극을 박막화하고 측정한 결과는 그보다 약간 감소한 값을 보이고 있다.
그러나, 연속적으로 세 차례 측정한 결과 52㎷의 기울기가 재현성 있게 나타나고 있어 기준전극으로서 우수한 성능을 보이고 있다고 판단된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 효소전극 및 기준전극을 실리콘웨이퍼 상에 구현시, 전극의 박막화에 따른 금속 박막 전극과 박막 전극에 증착하는 물질사이의 결합력 약화에 따른 제반 문제를 다공성 실리콘을 이용하여 해결함으로써 전체적인 마이크로 전극 시스템의 안정성과 재현성을 크게 향상시킬 수 있고 제품 개발에 있어 가장 큰 기술적인 문제가 해결됨으로써 소형화와 대량생산화가 현 상황보다 용이한 효과가 있으므로 반도체산업상 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (1)

  1. 전기화학적 식각법을 이용한 실리콘웨이퍼에 다공성 실리콘 층을 형성하는 단계(S1)와;
    감광제 도포하는 단계(S2)와;
    자외선 조사하는 단계(S3)와;
    자외선에 조사된 영역의 감광제를 용해시키는 단계(S4)와;
    Ti층을 스퍼터링하는 단계(S5)와;
    Ag 박막 전극 형성 및 리프트 오프 공정 수행 단계(S6)와;
    FeCl3용액에 1분간 딥핑하여 AgCl 층을 형성하는 단계(S7)로 이루어진 것을 특징으로 하는 다공성 실리콘을 이용한 은/염화은 박막 기준전극 제작 방법.
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