KR100727533B1 - 전계효과 트랜지스터형 센서시스템을 위한 판상 덮개구조체와 그 구조체가 구현된 전계효과 트랜지스터형센서시스템 - Google Patents

전계효과 트랜지스터형 센서시스템을 위한 판상 덮개구조체와 그 구조체가 구현된 전계효과 트랜지스터형센서시스템 Download PDF

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KR100727533B1
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류홍근
이수근
손영수
김현철
정상원
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(재)대구경북과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 판상 덮개 구조체 및 상기 구조체가 구현된 센서시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액체시료 분석용 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 기준 전극이 판상 덮개의 내부 상판 면에 형성된 판상 덮개 구조체 및 상기 구조체가 구현된 센서시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, Lab On a Chip(LOC) 또는 Micro-Total Analysis(u-TAS) 등과 같은 미세 유체 채널을 가지는 시스템에서 전계효과 트랜지스터형 바이오센서에 전기적으로 안정적인 게이트 기준 전압을 제공하여 출력신호의 신뢰성을 높일 수가 있다.
센서, 전계효과 트랜지스터(FET), 판상 덮개 구조체

Description

전계효과 트랜지스터형 센서시스템를 위한 판상 덮개 구조체와 그 구조체가 구현된 전계효과 트랜지스터형 센서시스템 {PLATE-SHAPED COVERING STRUCTURE FOR FIELD EFFECT TRANSISTOR TYPE SENSOR SYSTEM AND FIELD EFFECT TRANSISTOR SENSOR SYSTEM FORMED OF THE SAME}
도 1은 종래의 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 단면을 도시한 단면구조도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 단면을 도시한 단면구조도이다.
도 3a은 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터형 센서를 위한 상판 덮개 구조체의 단면을 도시한 단면구조도이다.
도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 상판을 제작하는 공정을 나타낸 것이다.
도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 인젝션 몰딩(injection molding)기법을 이용하여 전계효과 트랜지스터형 센서시스템을 위한 상판 덮개와 지지대를 결합하여 상판 덮개 구조물을 제작하여 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 구현 과정을 나타낸 도면이다.
도 3d는 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터형 센서시스템을 위 한 상판에 포토레지스트(PR; photo resist)을 이용한 지지대를 형성하고 상기 상판과 포토레지스트를 결합하여 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 구현 과정을 나타낸 도면이다.
도 3e는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 공정을 통해 제작된 전계효과 트랜지스터형 기판에 포토레지스트(PR; photo resist)을 이용한 지지대를 형성하고, 상판과 포토레지스트를 결합하여 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 구현 과정을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터형 센서시스템을 위한 상판 덮개 구조체의 상판과 지지대가 일체형으로 제작된 경우의 상판 덮개 구조체의 단면을 도시한 단면구조도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터와 상판 덮개 구조체가 전기적으로 연결된 상태를 도시한 단면구조도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 상판 덮개 구조체에 개구부가 형성된 상태를 도시한 단면구조도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 상판 덮개 구조체 덮개 표면에 한 층 이상의 차폐막(shielding film)이 형성된 상태를 도시한 단면구조도이다.
도 8은 도 7과 같이 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 상판 덮개 구조체 덮개 측면에 한 층 이상의 차폐막(shielding film)이 형성된 상태를 도시한 단면구조도이다.
도 9는 도 7 또는 도 8과 같이 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 상판 덮개 구조체 덮개 테두리면에 한 층 이상의 차폐막(shielding film)이 형성된 상태를 도시한 단면구조도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 반도체 회로 기판 101: 소스영역(source region)
102: 드레인영역(drain region) 104, 205: 금속 배선
103: 게이트(gate) 105: 절연막
106: 패드부 201: 상판
202: 지지대 203: 기준 전극
204: 반응 챔버 206: 개구부
207: 차폐막
301: 전도성 패이스트 또는 전도성 물질
본 발명은 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 판상 덮개 구조체 및 상기 구조체가 구현된 센서시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액체시료 분석용 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 기준 전극이 판상 덮개의 내부 상판 면에 형성된 판상 덮개 구조체 및 상기 구조체가 구현된 센서시스템에 관한 것이다.
바이오센서라 함은, 효소?항체 등 생물체의 기능물질 또는 미생물 등 생물체 가 특정 물질과 예민하게 반응하는 생물 감지 기능을 이용하여, 시료에 함유되어 있는 화학물질(특히 복잡한 유기화합물)을 선택적으로 검출?계측하는데 사용되는 센서를 말한다. 바이오센서는 생체물질만이 가진 분자간 선택적 반응성을 이용하여 다양한 생리활성 물질의 농도를 신속하게 정량화 할 수 있는 센서로 생체물질과 기존의 물리, 화학 및 광학적 신호 변환기(transducer)를 조합한 소형의 분석적 바이오 전자 도구이며, 각종 생화학 반응으로부터 전기적 신호를 유발하기 위해 바이오 칩 기술이 가장 먼저 적용된 분야이다.
일반적인 분석 방법과 비교해 볼 때 바이오 센서를 이용한 분석 방법이 가지는 가장 큰 장점은 시료에 약품을 처리하는 등의 복잡한 처리 과정을 거치지 않으면서 쉽게 빨리 분석할 수 있다는 점이다. 이를 위해서는 분석 물질과 반응하는 생체 물질이 수용기 내에 고정(immobilization)되어 있어야 한다. 고분자 막(polymer membrane)이나 졸-겔 막(sol-gel membrane)내에 분자량이 큰 생체 물질을 가두거나 생체 물질을 화학 결합으로 고체 기질(solid substrate)위에 고정하는 방법이 사용되고 있다.
최초의 바이오센서는 1962년 Clark이 포도당 측정을 위해 투석 막을 이용하여 제작한 Glucose 센서로 알려져 있으며, 초창기에는 효소를 신호변환소자에 고정하여 제작한 것이 대부분이었으나, 최근에는 분자생물학의 급속한 발달과 더불어 단일클론 항체나 항체-효소 결합체 등을 사용하여 제작한 센서들이 개발되어 사용되고 있다. 또한 대량의 유전정보를 초고속으로 처리하기 위한 DNA칩 및 단백질 칩과 같은 칩 센서에 대한 개발 연구들이 활기를 띠고 있으며, 분자생물학기술, 나 노 기술 및 정보통신기술들이 융합된 첨단 센서들의 개발에 많은 노력이 집중되고 있다.
바이오센서에서 신호변환기는 바이오 센싱 구성요소에서 일어나는 검출-유도된 물리화학적 변화를 전기적 신호로 바꾸는데, 그것은 특별히 설계된 전자 회로에 의해 증폭되어 인슐린 펌프와 같은 외부 장비의 제어에 사용된다. 신호변환기는 암페어 측정식, 전위 측정식과 전도율 측정식 등과 같은 전기화학식을 비롯하여 광학식, 압전식 및 칼로리 측정식 등이 있다.
특정한 물질에만 선택적으로 반응하는 생체물질을 이용하여 그 특정한 물질을 측정하고자 제작되는 바이오센서는 여러 가지 다른 종류의 물리, 화학센서에서는 볼 수 없는 장점들을 가지고 있다. 그러나 생체물질 자체의 불안정성으로 인하여 측정을 거듭할수록 활성이 저하되므로 자주 감지막을 교체해야 하는 불편함이 있었다. 최근에는 후막소자 제작기술이 도입됨으로써 낮은 생산원가로 대량생산이 가능해져 아예 센서를 일회용으로 취급하여 측정기 본체에 장착하여 한번의 측정이 끝나면 버리는 제품들이 등장하였고, 이러한 일회용 바이오센서 개념이 일정부분 바이오센서의 제품개발 방향성을 끌고 가고 있는 실정이다.
전계효과 트랜지스터형 바이오센서란 반도체집적회로공정과 같은 미세가공기술에 의하여 제조되는 초소형으로서 전계효과 트랜지스터(field-effect transistor)와 같은 원리에 의하여 동작하는 센서를 총칭한다. 전계효과 트랜지스터형 센서는 신소재기술, 정교한 미세가공기술, 전자회로집적기술, 인공지능기술 등과 같은 첨단기술과 접목되어 제조되는 것으로서 센서의 초소형화, 다차원화, 다 기능화, 지능화, 시스템화 등에 많은 장점을 가지고 있다. 전계효과 트랜지스터형 바이오센서는 단일 칩 상에 많은 센서소자를 집적할 수 있고, 여러 개의 같은 종류의 센서를 배열함으로써 다차원화하고, 여러 가지 종류의 센서를 함께 집적함으로써 다기능화하며, 지능회로와 함께 집적함으로써 지능화하고, 관련회로나 장치들을 함께 집적함으로써 시스템화 할 수 있어서 최첨단센서로서 크게 각광을 받고 있다.
전계효과 트랜지스터형 바이오센서의 경우 센서는 초소형으로 제조할 수 있다고 해도 마이크로 센서로 활용하기 위해서는 동시에 마이크로 기준전극이 개발되어야 한다. 또 센서를 어느 정도라도 스마트화하기 위해서는 전계효과 트랜지스터센서 신호처리 회로가 단일 칩으로 집적되어야 하며, 여러 가지 센서, 기준전극, 신호처리회로 등을 단일 칩에 집적하기 위해서는 해당 집적회로의 설계 및 공정기술이 개발되어야 한다.
도 1은 종래의 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 단면을 도시한 단면구조도이다.
도 1를 참조하면, 종래의 전계효과 트랜지스터형 바이오센서는 기판(substrate)(100)과 소스(source) 영역(101), 드레인(drain) 영역(102), 게이트(gate)(103)로 구성된 4개의 터미널과 금속배선(104), 절연막(105)으로 구성되어 있다. 일반적인 전계효과 트랜지스터는 상기 4개의 모든 터미널은 측정회로에 연결되어 전기 신호를 주고 받으며 측정회로에 의해 통제된다. 일반적인 전계효과 트랜지스터의 게이트가 절연성을 가지는 보호막으로 보호되는 것과는 달리, LOC(Lab On a Chip), μ-TAS(Micro-Total Analysis System) 등과 같은 미세 유체 채널을 가지는 시스템에서 활용되는 전계효과 트랜지스터형 센서의 게이트 표면은 외부에 완전히 노출되어 있으며 또한 측정하고자 하는 물질 즉, 액체시료와 반응하는 감지부로서의 역할을 하기 때문에 측정회로에 직접 연결할 수 없는 근본적인 차이점을 가지고 있다. 이러한 이유로 전계효과 트랜지스터형 센서를 정상적으로 사용하기 위해 측정용 시료 용액에 기준 전극을 함께 함침(impregnated)시키고 측정회로에 연결하여 전계효과 트랜지스터형 센서의 게이트 전압을 인가하는 방법이 일반적으로 사용된다.
종래에는 액체시료가 반응하는 챔버 내의 전위를 일정하게 유지하기 위해 별도의 기준 전극을 사용하거나 전계효과 트랜지스터 센서를 제작하는 공정 중에 기준 전극으로 사용할 금속을 증착(deposition)하여 제작하였다. 전자와 같이 별도의 기준 전극을 사용할 경우 LOC(Lab On a Chip) 또는 μ-TAS 에는 적합하지 아니하였고, 기준 전극과 전계효과 트랜지스터형 센서와의 거리를 항상 일정하게 유지하기도 어려워 출력되는 전기적 신호의 재현성 및 신뢰성이 감소한다는 문제점이 있었다.
전극으로 사용될 공간이 전계효과 트랜지스터형 센서의 감지부 주위에 설계 되어야 하기 때문에 일정한 면적을 점유하도록 설계하는 것이 불가피하였다.
모든 측정이 그러하지만 특히나 극히 적은 양의 물질을 정확하게 측정해야 하는 임상적인 측면에 있어서는 측정의 정확성, 재현성, 신뢰성은 다른 어떤 분야보다도 중요시된다. 물리, 화학센서와는 달리 대부분의 바이오센서는 제작 후 센서자체를 보정할 수 없다. 따라서 완벽한 정확도, 재현성, 신뢰성을 가지는 측정 을 위해서는 한 배치(batch)로 제작되는 센서는 완전히 동일한 특성을 가져야만 한다. 예를 들어 효소를 이용한 바이오센서의 경우 후막소자 제조기술로 한 기판 위에 수백 개의 센서를 제작한다고 할 때 각 센서의 효소 감지막은 완전히 동일한 양의 효소와 필요한 여러 보조인자를 가져야 하며, 뿐만 아니라 각 효소나 보조인자의 방향성도 완전히 같아야만 한다. 종래의 전계효과 트랜지스터형 바이오센서의 기준 전극은 기준 전극과 전계효과 트랜지스터형 바이오센서와의 거리를 항상 일정하게 유지하는 것은 가능하지만, 상술한 측정의 정확성, 재현성, 신뢰성을 확실히 보장하기에 구조적으로 문제점을 가지고 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 액체시료 분석을 위한 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 기준 전극이 판상 덮개 구조체의 챔버 내부 상판 면에 형성된 전계효과 트랜지스터형 바이오센서의 판상 덮개 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 액체시료 분석을 위한 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 기준 전극이 판상 덮개 구조체의 챔버 내부 상판 면에 형성된 판상 덮개 구조체를 포함하는 전계효과 트랜지스터형 센서시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은, Lab On a Chip(LOC) 또는 Micro-Total Analysis(u-TAS) 등과 같은 미세 유체 채널을 가지는 시스템에서 전계효과 트랜지스터형 바이오센서에 전기적으로 안정적인 게이트 기준 전압을 제공하여 출력신호 의 신뢰성을 높이는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 전계효과 트랜지스터형 바이오센서의 덮개 제조 에 있어 비교적 단순하고 저비용이 소요되게 하는 기준 전극의 제조 공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 기준 전극이 전계효과 트랜지스터형 바이오센서의 게이트인 감지부가 위치한 실리콘 회로 기판과는 무관한 별도의 상판 구조에 설계되어 형성시킴으로써 기준 전극 설계를 위한 충분한 면적을 확보하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 기준 전극 설계를 위한 실리콘 회로 기판 위에 충분한 면적을 확보함으로써 기준 전극에 의해 전계효과 트랜지스터의 게이트인 감지부에 영향을 미칠 수 있는 변인을 최소화하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 기준 전극이 전계효과 트랜지스터형 센서 시스템의 반응 챔버 수직 상부에 전계효과 트랜지스터의 게이트 평면과 평행하게 위치하여 항상 일정한 거리를 유지할 수 있으므로, 기준 전극에 의한 측정값 왜곡 현상을 최소화하여 센서시스템의 측정에 있어 재현성 및 신뢰성을 높이는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 전계효과 트랜지스터형 센서시스템에서의 덮개에 해당하는 상판을 반도체 공정을 이용하는 회로 기판 제작과는 별도로 진행하게 하여 공정 비용을 감소함을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 기준 전극으로 사용되는 금속 전극이 형성된 상판과, 상기 상판을 지지하는 지지대를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템을 위한 판상 덮개 구조체를 제공한다.
본 발명의 일측에 따르면, 기준 전극으로 사용되는 금속 전극이 형성된 상판과 상기 상판을 지지하는 지지대가 형성된 상판 덮개 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 시료 분석용 전계효과 트랜지스터형 센서시스템이 제공된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 단면을 도시한 단면구조도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 전계효과 트랜지스터형 센서시스템은 도 1의 종래의 전계효과 트랜지스터형 센서시스템과는 달리, 기준 전극(203)으로 사용되는 금속 전극이 반응 챔버의 내부 상판 면에 형성된 상판 덮개 구조체를 갖는 구조이다. 판상(plate-shaped)의 상판(201)은 전계효과 트랜지스터가 형성된 반도체 회로 기판(100)위에 지지대(202)에 의해 받쳐진다. 본 발명의 액체 시료 반응 챔버(204)는 전계효과 트랜지스터의 반도체 공정이 완료된 반도체 회로 기판(100)위에 지지대(202)가 위치하고 지지대에 의해 판상(plate-shaped)의 상판(201)이 지지되어 형성된 3차원의 챔버 공간이다.
기준 전극(203)은 도 1에서의 종래의 전계효과 트랜지스터형 센서시스템에서의 기준 전극과는 달리, 센서의 감지부인 전계효과 트랜지스터형 센서의 게이트 (105)로부터 수직 상부에 평행하게 위치하는 특징을 가진다. 본 발명에 의할 때, 기준 전극의 면적을 센서의 감지부인 전계효과 트랜지스터형 센서의 게이트(105)의 면적과 같거나 작게 혹은 더 크게 설계가 가능하며, 용도에 따라서는 기준 전극의 모양도 다양하게 설계할 수 있는 장점이 있다.
기준 전극을 집적한 반응 챔버는 실리콘, 유리, 플라스틱 등을 이용하여 가공이 가능하며, 기준 전극을 집적한 반응 챔버 상판용으로 사용하기 위한 재료는 편평도는 0.1 내지 1000㎚ 로서 두께는 100㎛이상으로 가공이 가능하여야 하고 액상 시료와의 접촉이 가능한 관계로 화학 약품에 대한 내성 및 호환성을 가지는 재료이어야 한다. 상기 상술한 특성을 가지는 플라스틱 기판은 COC(cyclo olefin copolymer), PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate), COP(cyclo olefin polymer), LCP(liquid crystalline polymers), PDMS(polydimethylsiloxane), PA(polyamide), PE(polyethylene), PI(polyimide), PP(polypropylene), PPE(polyphenylene ether), PS(polystyrene), POM(polyoxymethylene), PEEK(polyetheretherketone), PET(polyethylenephthalate), PTFE(polytetrafluoroethylene), PVC(polyvinylchloride), PVDF(polyvinylidene fluoride), PBT(polybutyleneterephthalate), FEP(fluorinated ethylenepropylene), PFA(perfluoralkoxyalkane) 등의 폴리머나 이들의 혼합물을 이용하여 가공이 가능하다.
기준 전극(203)은 상판(201)에 인젝션 몰딩(injection molding), 핫 엠보싱(hot embossing), 사진 공정(photo lithography), 스테레오리소그라피(stereo- lithography), 실크스크린 인쇄(silk screen printing) 등의 기술에 의해 형성시킬 수 있다.
도 3a은 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터형 센서를 위한 상판 덮개 구조체의 단면을 도시한 단면구조도이다.
도 3a을 참조하면, 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 상판 덮개 구조체는 도 2에서 설명했던 기준 전극(203)과 금속 배선(205)이 형성된 상판(201), 상기 상판(201)을 전계효과 트랜지스터의 반도체 회로 기판 위에 지지하는 지지대(202)로 구성될 수 있다.
센서의 용도에 따라, 기준 전극(203)과 금속 배선(205)은 챔버(204) 내부나 유체 통로 내부, 그 영역 이외의 필요에 따라 자유로운 형태로 설계 가능하다. 본 발명의 일실시예에 따른 상판(201)과 지지대(202)는 서로 다른 재질의 구성을 가질 수 있다.
도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 상판을 제작하는 공정을 나타낸 것이다.
도 3b를 참조하면, 단계 Ⅰ에서는 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 상판으로 사용될 플라스틱 상판(201)을 준비한다. 이러한 플라스틱의 종류는 상술했던 COC(cyclo olefin copolymer), PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate), COP(cyclo olefin polymer), LCP(liquid crystalline polymers), PDMS(polydimethylsiloxane), PA(polyamide), PE(polyethylene), PI(polyimide), PP(polypropylene), PPE(polyphenylene ether), PS(polystyrene), POM(polyoxymethylene), PEEK(polyetheretherketone), PET(polyethylenephthalate), PTFE(polytetrafluoroethylene), PVC(polyvinylchloride), PVDF(polyvinylidene fluoride), PBT(polybutyleneterephthalate), FEP(fluorinated ethylenepropylene), PFA(perfluoralkoxyalkane) 등의 폴리머나 이들의 혼합물이 가능하다. 단계 Ⅱ에서는 상기 상판용 플라스틱 상판(201)에 기준 전극으로 사용될 금속층(203)을 증착한다.
단계 Ⅲ에서는 상기 기준 전극용 금속 층에 패턴을 형성하게 될 포토레지스트(PR; photo resist)(310)를 도포(coating)한다. 단계 Ⅳ에서는 패턴이 형성되어 있는 마스크(320)를 사용하여 UV(ultra-violet)(321)를 조사한다. 단계 Ⅴ에서는 패턴 형성에 관계되는 포토레지스트(310)을 현상(development)하게 된다. 단계 Ⅵ에서는 포토레지스트(310)를 마스크로 하여 상기 기준 전극용 금속층(203)을 식각(etching)한다. 상기 식각은 습식식각, 건식식각 또는 상기 두 식각의 혼합일 수 있다.
단계 Ⅶ에서는 남아있는 포토레지스트(310)를 스트립(strip)하여 제거하면 상판면에 기준 전극이 형성되어 본 발명의 일실시예에 따른 상판의 제작이 완료된다.
도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 인젝션 몰딩(injection molding)기법을 이용하여 전계효과 트랜지스터형 센서시스템을 위한 상판 덮개와 지지대를 결합하여 상판 덮개 구조물을 제작하여 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 구현 과정을 나타낸 도면이다.
도 3c를 참조하면, 단계 Ⅰ에서는 본 발명의 일실시예에 따라 도 3b에서 제작된 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 상판(201)과 인젝션 몰딩(injection molding)기법으로 제작된 지지대(202)를 준비한다. 단계 Ⅱ에서는 상기 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 상판(201)과 인젝션 몰딩기법으로 제작된 지지대(202)를 접합한다. 단계 Ⅲ에서는 지지대(202)의 노출된 단면을 연마하여 지지대가 노출되도록 한다. 상기 연마는 반도체 공정상의 CMP나 소정의 연마기법이 될 수 있다. 단계 Ⅲ 후에 상판 덮개 구조물이 완성된다. 단계 Ⅳ에서는 지지대(202)의 노출 단면을 연마한 후 반도체 공정을 통하여 제작된 전계효과 트랜지스터형 센서 기판(100)위에 단계 Ⅲ에서 제작된 상판 덮개 구조물을 접합하여 본 발명에 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터형 센서시스템을 구현하게 된다.
도 3d는 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터형 센서시스템을 위한 상판에 포토레지스트(PR; photo resist)을 이용한 지지대를 형성하고 상기 상판과 포토레지스트를 결합하여 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 구현 과정을 나타낸 도면이다.
도 3d를 참조하면, 단계 Ⅰ에서는 본 발명의 일실시예에 따라 도 3b에서 제작된 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 상판(201)을 준비한다. 단계 Ⅱ에서는 상기 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 상판(201)에 포토레지스트(PR)(330)를 도포(coating)한다. 단계 Ⅲ에서는 패턴형성을 위해서 패턴이 형성된 마스크(340)에 UV(341)를 조사하여 포토레지스트(PR)를 현상시킨다. 단계 Ⅳ 에서 UV(341)가 조사된 포토레지시트(330)만을 남기고 현상한다. 단계 Ⅳ가 완료되면 전계효과 트지스터형 센서시스템의 상판 덮개 구조물이 제작이 완료되고, 단계 Ⅴ에서는 단계 Ⅳ에서 완성된 상판 덮개 구조물을 반도체 공정을 통하여 제작된 전계효과 트랜지스터형 센서 기판(100)위에 단계 Ⅳ에서 제작된 상판 덮개 구조물을 접합하여, 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 구현이 가능하다.
도 3e는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 공정을 통해 제작된 전계효과 트랜지스터형 기판에 포토레지스트(PR; photo resist)을 이용한 지지대를 형성하고, 상판과 포토레지스트를 결합하여 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 구현 과정을 나타낸 도면이다.
도 3e를 참조하면, 단계 Ⅰ에서는 반도체 공정을 통해 제작된 전계효과 트랜지스터가 구현된 기판에 감지부(103)가 노출된 기판 표면에 지지대 형성을 위한 포토레지스트(PR)(350)를 도포(coating)한다. 단계 Ⅱ에서는 상기 지지대 형성하기 위한 포토레지스트(350)에 포토리소그래피(photolithography) 공정을 사용하여 포토레지스트의 지지대 부분을 제외한 부분에 마스크(360)를 사용하여 UV(361)를 조사한다. 단계 Ⅲ에서는 포토레지스트를 현상(development)하여 포토레지스트의 지지대 부분만을 남기고, 단계 Ⅳ에서는 도 3b에서와 같이 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 상판(201)을 단계 Ⅲ 완료 후의 지지대(350) 부분에 상기 상판을 접합함으로써, 본 발명의 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 구현이 또한 가능하다.
본 발명의 사상은 상술하여 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터형 센서시스템을 위한 상판 덮개 구조체의 상판과 지지대가 일체형으로 제작된 경우의 상판 덮개 구조체의 단면을 도시한 단면구조도이다.
도 4를 참조하면, 도 3에서의 서로 다른 재질의 상판(201)과 지지대(202)가 분리형이 아닌 일체형으로 제작된 경우로서, 상판 덮개 구조체는 사용하는 공정 기술에 따라 도 3에서의 분리형이나 도 4에서의 동일 재질의 일체형으로도 가공이 가능하다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터와 상판 덮개 구조체가 전기적으로 연결된 상태를 도시한 단면구조도이다.
도 5를 참조하면, 기준 전극(203)과 금속 배선(205)이 형성된 상판(201)은 지지대(202)에 의해 전계효과 트랜지스터가 형성된 반도체 회로 기판(100)위에 위치한다. 반도체 회로 기판의 금속 배선(104)위에 형성된 패드(106)와 상판 덮개 구조체의 금속 배선(205)은 전도성 패이스트 또는 전도성 물질에 의하여 전기적으로 연결되어 있다. 반도체 회로 기판의 금속 배선(104)위에 형성된 패드(106)는 소정의 반도체 공정을 통하여 형성한다. 상기 패드(106)는 알루미늄, 구리 등 일반적인 공정에서 사용할 수 있는 물질이나 필요한 경우 금, 백금 등 반도체 공정에 사용할 수 있는 모든 도전성 재료가 될 수 있다. 상판(201)의 금속 배선(205)과 패드(206)를 전기적으로 연결하는 전도성 패이스트나 전도성 물질은 도포(coating) 가 가능한 재료이면 상판 덮개 구조체와 전계효과 트랜지스터가 형성된 반도체 회로 기판이 결합하기 전에 도포(coating)할 수 있으며, 필요에 따라서는 상판(201)과 회로 기판을 결합(100)한 후라도 선정된(predetermined) 위치에 주입하는 공정도 가능하다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 상판 덮개 구조체에 개구부가 형성된 상태를 도시한 단면구조도이다.
도 6을 참조하면, 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 상판 덮개 구조체의 상판(201)에 임의의 지점에 개구부(206)가 형성되어 있다. 개구부(206)는 센서의 시험 대상이 되는 액체 시료를 주입하고 배출할 수 있도록 선정된(predetermined) 위치에 형성된다. 일반적인 액체 시료 반응 챔버는 주입구, 센서 감지부, 챔버 공간, 기준 전극, 배출구 등으로 구성되며 바이오센서 시스템에서 핵심적인 역할을 담당하는 부분이다. 주입구(206)는 측정하고자 하는 액상의 물질이 반응 챔버로 흘러 들어가는 입구이며, 배출구(206)는 반응이나 감지가 끝난 후 액상의 시료를 외부로 배출시키기 위한 것이다. 반응 챔버(204)는 액체 시료가 전계효과 트랜지스터형 센서에 감지되도록 하기 위해 마련된 일정한 공간으로써 이 공간은 앞서 상술한 바와 같이 반도체 회로 기판(100), 지지대(202), 상판(201)에 의해 형성된다. 이렇게 구성된 반응 챔버(204)내의 기준 전극은 측정 회로에 연결되어 전계효과 트랜지스터형 센서의 게이트(103)의 전압을 기준 전극을 통하여 인가할 수 있도록 하여 측정하고자 하는 액상 물질의 전위 변화를 감지함으로써 센서의 기능을 수행하게 된다.
이러한 상판의 개구부(206)는 한 지점 또는 그 이상의 지점에 용도에 따라 설계 위치를 변경하여 형성시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 상판 덮개 구조체 덮개 표면에 한 층 이상의 차폐막(shielding film)이 형성된 상태를 도시한 단면구조도이다.
도 7을 참조하면, 한 층 또는 그 이상의 차폐막(207)을 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 상판의 표면에 형성시켰는데, 이는 차폐막(207)은 센서시스템을 내, 외부의 전자기파로부터 보호해주는 일종의 보호막이라고 할 수 있으며, 전자기파복사(electromagnetic wave radiation)와 상호교란을 극소화시킴으로써 전계효과 트랜지스터형 센서의 효율을 극대화시키는 역할을 한다.
도 8은 도 7과 같이 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 상판 덮개 구조체 덮개 측면에 한 층 이상의 차폐막(shielding film)이 형성된 상태를 도시한 단면구조도이다.
도 9는 도 7 또는 도 8과 같이 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 상판 덮개 구조체 덮개 테두리면에 한 층 이상의 차폐막(shielding film)이 형성된 상태를 도시한 단면구조도이다.
차폐막(207)은 전계효과 트랜지스터형 센서시스템에 있어서 상판(201)으로 하여금 상판이 재질에 따라서 도광판(로)(light guide plate/line) 역할 또는 전자기파를 투과시키는 현상을 차단하여 전계효과 트랜지스터형 센서 시스템의 신뢰성을 높이기 위함이다. 전자기파 차폐용 물질로서는 전기전도도와 유전상수가 높은 전형적인 금속인 구리, 니켈, 은 등이나 금속 혼합물도 사용이 되고, 제조 공정상이나 신소재 혼합방식을 통한 효율 높은 차폐막도 사용될 수 있다. 차폐막은 증착(deposition), 접착(adhesion), 도포(coating) 중 어느 하나의 방법이거나 둘 이상의 방법에 의해 형성 가능하다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
본 발명에 따르면, 액체시료 분석을 위한 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 기준 전극이 판상 덮개 구조체의 챔버 내부 상판 면에 형성된 전계효과 트랜지스터형 바이오센서의 판상 덮개 구조체가 제공된다.
또한 본 발명에 따르면, 액체시료 분석을 위한 전계효과 트랜지스터형 센서시스템의 기준 전극이 판상 덮개 구조체의 챔버 내부 상판 면에 형성된 판상 덮개 구조체를 포함하는 전계효과 트랜지스터형 센서시스템이 제공된다.
또한 본 발명에 따르면, Lab On a Chip(LOC) 또는 Micro-Total Analysis(u- TAS) 등과 같은 미세 유체 채널을 가지는 시스템에서 전계효과 트랜지스터형 바이오센서에 전기적으로 안정적인 게이트 기준 전압을 제공하여 출력신호의 신뢰성을 높일 수가 있다.
또한 본 발명에 따르면, 전계효과 트랜지스터형 바이오센서의 덮개 제조에 있어 비교적 단순하고 저비용이 소요되게 하는 기준 전극의 제조 공정을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 기준 전극이 전계효과 트랜지스터형 바이오센서의 게이트인 감지부가 위치한 실리콘 회로 기판과는 무관한 별도의 상판 구조에 설계되어 형성시킴으로써 기준 전극 설계를 위한 충분한 면적을 확보할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 기준 전극 설계를 위한 실리콘 회로 기판 위에 충분한 면적을 확보함으로써 기준 전극에 의해 전계효과 트랜지스터의 게이트인 감지부에 영향을 미칠 수 있는 변인을 최소화할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 기준 전극이 전계효과 트랜지스터형 센서 시스템의 반응 챔버 수직 상부에 전계효과 트랜지스터의 게이트 평면과 평행하게 위치하여 항상 일정한 거리를 유지할 수 있으므로, 기준 전극에 의한 측정값 왜곡 현상을 최소화하여 센서시스템의 측정에 있어 재현성 및 신뢰성을 높일 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 전계효과 트랜지스터형 센서시스템에서의 덮개에 해당하는 상판을 반도체 공정을 이용하는 회로 기판 제작과는 별도로 진행하게 하여 공정 비용을 감소할 수 있다.

Claims (26)

  1. 기준 전극으로 사용되는 금속 전극이 형성된 상판과,
    상기 상판을 지지하는 지지대
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템을 위한 판상 덮개 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상판은 금속 배선이 형성된 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템을 위한 판상 덮개 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상판과 상기 지지대가 일체형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템을 위한 판상 덮개 구조체.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 상판과 상기 지지대가 일체형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템을 위한 판상 덮개 구조체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 전극은 상기 판상 덮개 구조체의 챔버 내부, 유체 통로 내부 또는 소정의 측면 중 어느 하나 이상에 형성된 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템을 위한 판상 덮개 구조체.
  6. 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 금속 배선은 상기 판상 덮개 구조체의 챔버 내부, 유체 통로 내부 또는 소정의 측면 중 어느 하나 이상에 형성된 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템을 위한 판상 덮개 구조체.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 전극은 전도성 패이스트 또는 전도성 물질에 의해서 반도체 회로기판 패드와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템을 위한 판상 덮개 구조체.
  8. 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 금속 배선은 전도성 패이스트 또는 전도성 물질에 의해서 반도체 회로기판 패드와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템을 위한 판상 덮개 구조체.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상판에 소정의 길이로 하나 이상의 개구부가 형성된 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템을 위한 판상 덮개 구조체.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상판의 표면 또는 상기 상판의 어느 한 측면에 한 층 이상의 차폐막을 형성한 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템을 위한 판상 덮개 구조체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 차폐막은 증착(deposition), 접착(adhesion), 도포(coating) 중 어느 하나의 방법이거나 둘 이상의 방법에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템을 위한 판상 덮개 구조체.
  12. 삭제
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상판의 표면 편평도는 0.1 내지 1000㎚인 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템을 위한 판상 덮개 구조체.
  14. 기준 전극으로 사용되는 금속 전극이 형성된 상판과 상기 상판을 지지하는 지지대가 형성된 상판 덮개 구조체
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 상판 덮개 구조체의 상기 상판은 금속 배선이 형성된 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 상판 덮개 구조체의 상기 상판과 상기 상판 덮개 구조체의 지지대가 일체형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 상판 덮개 구조체의 상기 상판과 상기 상판 덮개 구조체의 상기 지지대가 일체형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템.
  18. 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상판 덮개 구조체의 상기 금속 전극은 상기 판상 덮개 구조체의 챔버 내부, 유체 통로 내부 또는 소정의 측면 중 어느 하나 이상에 형성된 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템.
  19. 제15항 또는 제17항에 있어서,
    상기 상판 덮개 구조체의 상기 금속 배선은 상기 판상 덮개 구조체의 챔버 내부, 유체 통로 내부 또는 소정의 측면 중 어느 하나 이상에 형성된 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템.
  20. 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상판 덮개 구조체의 상기 금속 배선은 전도성 패이스트 또는 전도성 물질에 의하여 반도체 회로기판 패드와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템.
  21. 제15항 또는 제17항에 있어서,
    상기 상판 덮개 구조체의 상기 금속 배선은 전도성 패이스트 또는 전도성 물질에 의하여 반도체 회로기판 패드와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템.
  22. 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상판 덮개 구조체의 상기 상판에 소정의 크기로 하나 이상의 개구부가 형성된 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템.
  23. 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상판 덮개 구조체의 상기 상판의 표면 또는 상기 상판의 어느 한 측면에 한 층 이상의 차폐막을 형성한 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 차폐막은 증착(deposition), 접착(adhesion), 도포(coating) 중 어느 하나의 방법이거나 둘 이상의 방법에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템.
  25. 삭제
  26. 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상판 덮개 구조체의 상판의 표면 편평도는 0.1 내지 1000㎚인 것을 특 징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 액체 시료 분석용 센서시스템.
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