KR101484822B1 - 세포 계수 장치 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
세포 계수 장치 및 이의 제조방법을 제공한다. 세포 계수 장치는 복수개의 트렌치를 구비하는 반도체 기판, 상기 트렌치의 둘레를 따라 배치되는 기준 유전막, 상기 기준 유전막 상에, 상기 트렌치를 매립하도록 배치되는 탐지 전극, 상기 반도체 기판의 전면에 배치되는 센싱 유전막, 상기 센싱 유전막 상에 고정되는 프로브 및 상기 프로브가 고정된 센싱 유전막 상에 배치되는 세포액 챔버를 포함하여, 탐지 전극이 세포액 등의 화학 용액과 직접 접촉하지 않으므로, 전극의 부식이 방지될 수 있다. 또한, 세포 계수 장치의 제조방법은 반도체 기판에 복수개의 트렌치를 형성하는 단계, 상기 트렌치의 둘레를 따라 기준 유전막을 형성하는 단계, 상기 트렌치 내부를 매립하는 탐지 전극을 형성하는 단계, 상기 반도체 기판의 전면에 센싱 유전막을 형성하는 단계, 상기 센싱 유전막 상에 프로브를 고정시키는 단계 및 상기 센싱 유전막 상에 세포액 챔버를 형성하는 단계를 포함하여 매립 전극 형성 공정이 간단하고 용이하여, 제조 비용이 절감되는 이점이 있다.
Description
본 발명은 세포 계수 장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 EIS(Electrolyte-Insulator-Semiconductor) 구조 기반의 세포 계수 장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
세포의 정확한 계수와 분류는 다양한 분야에서 필수적으로 요구된다. 따라서, 세포 계수 장치에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
대한민국 등록특허 제10-0573621호에서는 세포 개체수 계수용 및 그 제조방법에 대해 개시하고 있다. 상기 특허문헌에 개시된 바와 같이, 종래의 세포 계수 장치는 현미경을 통해서 가시적으로 세포를 계수하는 방식을 사용하였다. 그러나, 상기 방식은 검출 과정에서 시간이 많이 소요되며, 세포의 정확한 계수가 어려운 문제점이 있었다.
한편, EIS(Electrolyte-Insulator-Semiconductor) 센서는 화학 용액이 가지는 이온 농도를 측정할 수 있는 화학 센서로서, 최근 바이오 기술의 발전과 더불어 그 연구가 활발하게 진행되고 있다.
도 1은 종래의 EIS 센서의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 EIS 센서는 절연막(2)이 배치된 반도체 기판(1) 상에 전해액 챔버(3)가 위치하는 구조를 가진다. 이 때, 외부 전원과 연결된 참조 전극(4)이 상기 전해액 챔버(3) 내의 전해액과 접촉하도록 위치한다.
이러한 EIS 센서는 참조 전극(4)을 통해 전해액에 전압을 인가하고, 이 때 발생하는 VFB(flat band voltage)의 시프트(shift)를 이용하여 전해액이 가지는 이온 농도를 측정한다. 이러한 EIS 센서는 간단한 구조, 작은 소자 크기, 비표지 방식의 생체 물질 검지 능력, 빠른 응답 속도 등의 이점을 가진다. 또한, EIS 센서의 제조 공정은 기존의 반도체 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 공정과 호환 가능하여, 저비용으로 용이하게 생산 가능하다. 이에 따라, EIS 센서를 응용하여 혈액 내에 존재하는 다양한 세포를 계수하기 위한 연구가 이루어지고 있다.
도 1에서 보는 바와 같이, EIS 센서는 전해액 등의 화학 용액에 참조 전극(4)이 접촉되는 구조를 가진다. 따라서, 시간이 지남에 따라 참조 전극(4)에 부식이 일어나, 참조 전극(4)의 사용연한이 짧으며, 정확한 세포의 계수가 어려운 문제점이 있다. 또한, 참조 전극(4)은 수 mm의 비교적 큰 크기를 가지므로, 세포 계수 장치의 집적화 구현에 제약이 있다.
이러한 참조 전극(4)을 제조하는 방법이 선행문헌에 개시되어 있다[ Huang , I-Y et al , " Fabrication and characterization of a new planar solid - state reference electrode for ISFET sensors ", Thin Solid Film , 2002].
상기 선행문헌에 의하면, 참조 전극(4)은 기판 상에 금속 박막을 다수층 증착하여 적층구조를 형성하고, 이를 일정한 형태로 패터닝한 후, 전해액에 담가 전기화학적 처리하고, 상부에 아가로스 겔을 증착하여 형성된다. 따라서, 참조 전극(4)의 제조 공정이 매우 복잡한 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 화학 용액과 전극의 접촉을 방지할 수 있으며, 세포 계수 장치의 집적 시스템 구현이 용이한 세포 계수 장치 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 세포 계수 장치를 제공한다. 상기 세포 계수 장치는 복수개의 트렌치를 구비하는 반도체 기판, 상기 트렌치의 둘레를 따라 배치되는 기준 유전막, 상기 기준 유전막 상에, 상기 트렌치를 매립하도록 배치되는 탐지 전극, 상기 반도체 기판의 전면에 배치되는 센싱 유전막,상기 센싱 유전막 상에 고정되는 프로브 및 상기 프로브가 고정된 센싱 유전막 상에 배치되는 세포액 챔버를 포함한다.
상기 반도체 기판, 상기 탐지 전극 및 이들 사이에 개재된 상기 기준 유전막이 기준 커패시터를 형성하고, 상기 반도체 기판, 상기 탐지 전극 및 상기 반도체 기판과 상기 탐지 전극에 접하는 상기 센싱 유전막이 센싱 커패시터를 형성할 수 있다.
상기 반도체 기판, 상기 탐지 전극 및 이들 사이에 개재된 상기 기준 유전막이 기준 커패시터를 형성하고, 상기 복수개의 트렌치 내에 각각 매립된 복수개의 탐지 전극 중 선택되는 두 개의 탐지 전극 및 상기 탐지 전극에 접하는 상기 센싱 유전막이 센싱 커패시터를 형성할 수 있다.
상기 탐지 전극은 기준 전압의 인가로 상기 반도체 기판에 프린징 필드를 형성할 수 있다. 상기 탐지 전극은 기준 유전막 및 센싱 유전막으로 둘러싸여, 세포액과의 접촉이 차단될 수 있다.
상기 기준 유전막은 SiO2 또는 TiO2를 포함하고, 상기 센싱 유전막은 Si3N4, Al2O3, CeO2, HfO2, La2O3, Ta2O5, Y2O3, ZrO2, ZrAlO, HfAlO, ZrTiO4, SnTiO4 및 SrTiO3 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 세포 계수 장치의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은 반도체 기판에 복수개의 트렌치를 형성하는 단계, 상기 트렌치의 둘레를 따라 기준 유전막을 형성하는 단계, 상기 트렌치 내부를 매립하는 탐지 전극을 형성하는 단계, 상기 반도체 기판의 전면에 센싱 유전막을 형성하는 단계, 상기 센싱 유전막 상에 프로브를 고정시키는 단계 및 상기 센싱 유전막 상에 세포액 챔버를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 복수개의 트렌치 각각은 5㎛ ∼ 50㎛의 간격을 두고 형성될 수 있다.
상기 기준 유전막은 1㎛ ∼ 5㎛의 두께를 가지도록 형성되고, 상기 센싱 유전막은 1nm ∼ 50nm의 두께를 가지도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 탐지 전극은 기판 내에 매립 형성되어, 세포액 등의 화학 용액과 직접 접촉하지 않으므로, 전극의 부식이 방지될 수 있다. 따라서, 화학 용액에 대한 내부식성 요건에 구애받지 않고 다양한 재질의 전극을 사용할 수 있다. 또한, 매립 전극 형성 공정이 간단하고 용이하여, 제조 비용이 절감되는 이점이 있다. 더욱이, 탐지 전극은 기판 내에 매립되어 기판과 일체화되므로, 세포 계수 장치의 집적 시스템 구현이 용이한 이점이 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 EIS 센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 계수 장치의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 계수 장치를 이용한 세포 계수 방법의 개략도들이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 계수 장치의 제조방법을 나타내는 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 계수 장치의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 계수 장치를 이용한 세포 계수 방법의 개략도들이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 계수 장치의 제조방법을 나타내는 단면도들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 위쪽, 상(부), 상면 등의 방향적인 표현은 그 기준에 따라 아래쪽, 하(부), 하면 등의 의미로 이해될 수 있다. 즉, 공간적인 방향의 표현은 상대적인 방향으로 이해되어야 하며 절대적인 방향을 의미하는 것으로 한정 해석되어서는 안 된다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 또는 생략된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 계수 장치의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 반도체 기판(10)이 배치된다. 일 예로, 상기 반도체 기판(10)은 실리콘 기판일 수 있다. 예컨대, 상기 실리콘 기판은 (100) 방향의 p형 실리콘 기판일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 반도체 기판(10)은 트렌치(trench)를 구비한다. 상기 트렌치는 일정 간격을 두고 복수개 형성될 수 있다. 상기 트렌치의 깊이는 수 ㎛일 수 있다. 또한, 이웃하는 트렌치 사이의 간격은 5㎛ ∼ 50㎛일 수 있다.
상기 트렌치의 둘레를 따라 기준 유전막(20)이 배치된다. 상기 기준 유전막(20)은 저유전율을 가지는 유전 물질로 이루어질 수 있다. 일 예로, 상기 기준 유전막(20)은 0 ∼ 6의 유전 상수를 가지는 유전 물질로 이루어질 수 있다. 상기 기준 유전막(20)은 SiO2막 또는 TiO2막일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 기준 유전막(20)은 그 자체의 커패시턴스를 무시할 수 있도록 매우 두꺼운 것이 바람직하다. 일 예로, 상기 기준 유전막(20)의 두께는 1㎛ ∼ 5㎛일 수 있다.
상기 트렌치 내부에 탐지 전극(30)이 매립된다. 상기 탐지 전극(30)은 각각의 트랜치 내에 매립될 수 있다. 상기 탐지 전극(30)은 도전성 재료로 이루어질 수 있다. 일 예로, 상기 탐지 전극(30)은 금속 또는 합금으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 상기 탐지 전극(30)은 Al, Ag, Au, Cu 또는 W, 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 탐지 전극(30)은 전압을 인가하면, 프린징 효과(fringing effect)에 의해 근방의 상기 반도체 기판(10)에 프린징 필드(fringing field)를 형성할 수 있다. 상기 탐지 전극(30)은 반도체 기판(10) 내에 매립되고, 세포액과의 접촉이 차단될 수 있다. 따라서, 상기 탐지 전극(30)은 도전성을 가지는 재료라면, 화학 용액에 대한 부식 여부에 구애받지 않고 다양한 재료를 사용할 수 있는 이점이 있다. 상기 탐지 전극(30)은 전극 패드(미도시)를 통해 외부 전원과 연결될 수 있다.
상기 탐지 전극(30)은 상기 기준 유전막(20)을 사이에 두고, 반도체 기판(10)과 대향할 수 있다. 따라서, 상기 반도체 기판(10), 탐지 전극(30) 및 이들 사이에 개재된 상기 기준 유전막(20)은 기준 커패시터를 형성할 수 있다.
상기 트렌치가 매립된 반도체 기판(10)의 전면에 센싱 유전막(40)이 배치된다. 따라서, 상기 반도체 기판(10), 탐지 전극(30) 및 이들과 인접하는 상기 센싱 유전막(40)은 센싱 커패시터를 형성할 수 있다. 또한, 복수개의 트렌치 내에 각각 매립된 복수개의 탐지 전극(30) 중 두 개의 탐지 전극(30a, 30b) 및 이들과 인접하는 센싱 유전막(40)도 센싱 커패시터를 형성할 수 있다. 이 때, 상기 두 개의 탐지 전극(30a, 30b)은 복수개의 탐지 전극(30) 중에서 자유롭게 선택될 수 있다. 따라서, 표적 세포의 계수를 위해 둘 중 어느 하나의 센싱 커패시터를 이용할 수 있다.
상기 센싱 유전막(40)은 표적 세포를 민감하게 감지해내기 위해 큰 커패시턴스를 가지는 것이 바람직하다. 상기 센싱 유전막(40)은 고유전율을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 일 예로, 상기 센싱 유전막(40)은 10 이상의 유전 상수를 가지는 유전 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 상기 센싱 유전막(40)은 Si3N4, Al2O3, CeO2, HfO2, La2O3, Ta2O5, Y2O3, ZrO2, ZrAlO, HfAlO, ZrTiO4, SnTiO4 및 SrTiO3 중에서 선택되는 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 센싱 유전막(40)은 얇은 두께를 가지는 것이 바람직하다. 일 예로, 상기 센싱 유전막(40)의 두께는 1nm ~ 50nm일 수 있다. 이와 같이, 상기 센싱 유전막(40)이 얇은 두께의 고유전 물질층인 경우, 상기 센싱 커패시터의 커패시턴스를 극대화할 수 있다.
상기 센싱 유전막(40) 상에 프로브(50)가 고정될 수 있다. 상기 프로브(50)는 세포액 내에 함유된 표적 세포와 특이적으로 결합하는 항체로 이루어질 수 있다. 일 예로, 표적 세포가 암세포인 경우, 상기 프로브(50)는 암세포와 특이적으로 결합하는 항체로 이루어질 수 있다. 이 경우, 표적 세포는 프로브(50)의 일부에 부착될 수 있다.
일 예로, 상기 프로브(50)는 패턴을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 프로브(50)의 하부에 위치하는 센싱 유전막(40)이 노출될 수 있다.
상기 센싱 커패시터의 커패시턴스는 상기 센싱 유전막(40)이 노출된 부분의 면적에 크게 의존한다. 상기 센싱 유전막(40)이 상기 프로브(50)에 의해 차폐된 부분은 센싱 커패시터의 커패시턴스에 거의 기여하지 않으므로, 상기 센싱 유전막(40)의 노출된 부분의 면적이 센싱 커패시터의 유효 면적이 될 수 있다. 따라서, 상기 프로브(50)에 표적 세포 부착시, 커패시턴스의 변화 비율을 증가시켜 센싱 민감도가 향상되는 이점이 있다.
상기 센싱 유전막(40) 상에 세포액 챔버(60)가 배치된다. 상기 세포액 챔버(60)는 세포액이 유입되어 흐르는 통로일 수 있다. 따라서, 세포액은 상기 센싱 유전막(40) 상에 배치된 프로브(50)와 직접 접촉할 수 있다. 이 때, 상기 탐지 전극(30)은 반도체 기판(10)의 트렌치 내에 매립되고, 상기 반도체 기판(10)의 전면에 센싱 유전막(40)이 배치되므로, 상기 탐지 전극(30)은 세포액과 직접 접촉되지 않을 수 있다.
상기 세포액 챔버(60)는 양단에 세포액 유입구(미도시) 및 세포액 배출구(미도시)를 구비할 수 있다. 상기 세포액 챔버(60)는 감광성 폴리머로 이루어질 수 있다. 일 예로, 상기 세포액 챔버(60)는 PDMS 또는 SU-8 등으로 이루어질 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 계수 장치를 이용한 세포 계수 방법의 개략도들이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 세포 계수 장치(100)에 기준 전압을 인가한다. 구체적으로, 상기 기준 전압은 탐지 전극(30)을 통해 인가될 수 있다. 상기 탐지 전극(30)을 통해 기준 전압이 인가되면, 상기 탐지 전극(30) 주위의 반도체 기판(10)에는 프린징 효과에 의해 프린징 필드가 형성될 수 있다. 또한, 반도체 기판(10), 탐지 전극(30) 및 이들 사이에 개재된 기준 유전막(20)으로 구성되는 기준 커패시터에는 커패시턴스가 형성될 수 있다. 이 때, 상기 기준 유전막(20)은 저유전율의 두꺼운 유전막이므로, 상기 기준 커패시터의 커패시턴스는 0에 가까운 값을 나타낼 수 있다.
또한, 반도체 기판(10), 탐지 전극(30) 및 이들과 인접하는 센싱 유전막(40)으로 구성되는 센싱 커패시터에도 커패시턴스가 형성될 수 있다. 이는, 복수개의 탐지 전극 중에 선택되는 두 개의 탐지 전극(30a, 30b) 및 이들과 인접하는 센싱 유전막(40)으로 구성되는 센싱 커패시터에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
이후, 세포액 챔버(60) 내에 다수의 표적 세포(70)가 함유된 세포액을 유입한다. 일 예로, 상기 세포액은 혈액일 수 있으며, 상기 표적 세포(70)는 암세포일 수 있다. 예컨대, 상기 암세포는 위암, 폐암, 간암, 대장암, 직장암, 유방암, 전립선암, 피부암, 두경부암, 췌장암, 난소암, 방광암, 신장암, 흑색종, 육종, 신경아교종, T-세포 림프종 또는 B-세포 림프종 조직의 세포 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이 때, 상기 암세포의 크기는 10㎛ ∼ 20㎛일 수 있다.
상기 세포액은 세포액 챔버(60)의 일단에 위치하는 세포액 유입구(미도시)를 통해 주입될 수 있다. 상기 세포액은 세포액 챔버(60)의 일측에서 주입되어, 프로브(50)가 배치된 센싱 유전막(40) 상을 흐를 수 있다.
이 때, 프로브(50)는 세포액 내에 함유된 표적 세포(70)를 포획할 수 있다. 상기 표적 세포(70)는 프로브(50)에 부착될 수 있다. 상기 표적 세포(70)가 프로브(50)에 부착되면, 센싱 유전막(40)의 일부가 차폐될 수 있다. 이 경우, 표적 세포(70)가 상기 프로브(50)에 부착되면, 센싱 커패시터의 커패시턴스가 변화될 수 있다. 이 때, 상기 센싱 커패시터는 반도체 기판(10), 탐지 전극(30) 및 이들과 인접하는 센싱 유전막(40)으로 구성되는 커패시터이거나, 복수개의 탐지 전극(30) 중 선택되는 두 개의 탐지 전극(30a, 30b) 및 이들과 인접하는 센싱 유전막(40)으로 구성되는 센싱 커패시터일 수 있다. 따라서, 상기 표적 세포(70)가 프로브(50)에 부착되는 순간의 상기 센싱 커패시터의 커패시턴스 변화를 감지하여 표적 세포(70)를 계수할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 센싱 커패시터의 커패시턴스는 상기 프로브(50)의 하부에 위치하는 센싱 유전막(40)이 노출된 영역에서 우세할 수 있다. 상기 표적 세포(70)가 프로브(50)에 부착되면, 상기 표적 세포(70)의 면적만큼 상기 노출된 센싱 유전막(40)의 일부가 차폐될 수 있다. 이로써, 상기 센싱 커패시터의 커패시턴스가 변화할 수 있다.
일 예로, 상기 표적 세포(70)가 암세포인 경우 상기 암세포는 Na+, H+ 이온을 풍부하게 함유할 수 있다. 상기 암세포가 프로브(50)에 부착되면, Na+ 또는 H+ 이온은 상기 프로브(50) 하부에 위치하는 센싱 유전막(40) 내로 침투(penetration)할 수 있다. 이 경우, 상기 센싱 유전막(40)에 전하 트랩(charge trap)이 일어나, 이동 전하(mobile charge)가 발생할 수 있다. 따라서, 상기 센싱 커패시터의 커패시턴스가 변화할 수 있다.
상기 센싱 커패시터의 커패시턴스 변화 정도는 세포액 내에 함유된 표적 세포(70)의 개수에 비례할 수 있다. 따라서, 상기 센싱 커패시터의 커패시턴스 변화 정도를 판단하여 표적 세포를 계수할 수 있다. 이 때, 세포 계수 장치(100)에 모니터링부(미도시)를 연결할 수 있다. 상기 모니터링부는 C-V 측정 곡선을 나타낼 수 있다. 상기 커패시턴스의 변화는 C-V 측정 곡선에서 C(FB)(flat band capacitance)의 시프트(shift)를 발생시킬 수 있다. 따라서, 세포 계수 장치(100)에 모니터링부를 연결하여 C-V 특성 곡선에서의 C( FB ) 시프트를 즉각적으로 모니터링함으로써 편리하게 표적 세포(70)를 계수할 수 있다.
도 4a 내지 도 4g는 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 계수 장치의 제조방법을 나타내는 단면도들이다.
도 4a를 참조하면, 반도체 기판(10)에 트렌치(trench)를 형성한다. 상기 반도체 기판(10)은 일 예로, 실리콘 기판일 수 있다. 상기 실리콘 기판은 (100) 방향의 p형 실리콘 기판일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 통상의 다양한 종류의 반도체 기판을 사용할 수 있다.
상기 트렌치는 상기 반도체 기판(10)의 일부 영역에 형성될 수 있다. 상기 트렌치는 상기 반도체 기판(10)의 일부 영역을 상기 반도체 기판(10)에 수직인 방향으로 식각하여 형성할 수 있다. 상기 트렌치는 일정 간격을 두고 복수개 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 일정 간격은 5㎛ ∼ 50㎛일 수 있다. 상기 트렌치는 수 ㎛의 깊이로 형성될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 트렌치 내에 기준 유전막(20)을 형성한다. 상기 기준 유전막(20)은 상기 트렌치의 둘레를 따라 형성될 수 있다.
상기 기준 유전막(20)은 저유전율을 가지는 유전 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 일 예로, 상기 기준 유전막(20)은 0 ∼ 6의 유전 상수를 가지는 유전 물질로 이루어질 수 있다. 상기 기준 유전막(20)은 SiO2막 또는 TiO2막일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 기준 유전막(20)은 매우 두껍게 형성되는 것이 바람직하다. 일 예로, 상기 기준 유전막(20)은 1㎛ ∼ 5㎛의 두께로 형성할 수 있다.
상기 기준 유전막(20)은 스퍼터링법(sputtering), 전자빔 증착법(e-beam evaporation), 열증착법(Thermal evaporation), 펄스레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition) 또는 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemcal Vapor Deposition) 등 통상의 증착법을 사용하여 형성할 수 있다.
도 4c를 참조하면, 기준 유전막(20) 내에 탐지 전극(30)을 형성한다. 상기 탐지 전극(30)은 트렌치의 측벽을 따라 위치하는 기준 유전막(20) 내에 형성될 수 있다. 따라서, 상기 탐지 전극(30)은 상기 트렌치를 매립할 수 있다. 이 때, 상기 탐지 전극(30)은 기준 유전막(20)을 사이에 두고 반도체 기판(10)과 이웃할 수 있다.
상기 탐지 전극(30)은 도전성 재료로 형성할 수 있다. 일 예로, 상기 탐지 전극(30)은 금속 또는 합금으로 형성할 수 있다. 예컨대, 상기 탐지 전극(30)은 Al, Ag, Au, Cu 또는 W, 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나로 형성할 수 있다. 상기 탐지 전극(30)은 반도체 기판(10) 내에 매립되고, 세포액과의 접촉이 차단되므로, 도전성을 가지는 재료라면, 화학 용액에 대한 내부식성에 관계없이 다양한 재료를 사용할 수 있는 이점이 있다. 상기 탐지 전극(30)은 전극 패드(미도시)를 통해 외부 전원과 연결될 수 있다.
상기 탐지 전극(30)은 스퍼터링법(sputtering) 또는 열증착법(Thermal evaporation) 등 통상의 전극 증착법을 사용하여 형성할 수 있다.
도 4d를 참조하면, 반도체 기판(10)의 전면에 센싱 유전막(40)을 형성한다. 상기 센싱 유전막(40)은 고유전율을 가지는 유전 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 일 예로, 상기 센싱 유전막(40)은 10 이상의 유전 상수를 가지는 유전 물질로 이루어질 수 있다. 상기 센싱 유전막(40)은 Si3N4, Al2O3, CeO2, HfO2, La2O3, Ta2O5, Y2O3, ZrO2, ZrAlO, HfAlO, ZrTiO4, SnTiO4 및 SrTiO3 중에서 선택되는 적어도 어느 하나로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 센싱 유전막(40)은 기준 유전막(20)에 비해 얇은 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 일 예로, 상기 센싱 유전막(40)은 1nm ~ 50nm의 두께로 형성할 수 있다.
상기 센싱 유전막(40)은 원자층 증착법(atomic layer deposition), 스퍼터링법(sputtering) 또는 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition) 등 통상의 증착법을 이용하여 형성할 수 있다.
도 4e를 참조하면, 센싱 유전막(40) 상에 프로브(50)를 고정한다. 일 예로, 상기 프로브(50)는 나노 템플레이트(nano template)를 통해 상기 센싱 유전막(40) 상에 고정될 수 있다. 상기 나노 템플레이트는 블록 공중합체의 자기조립을 이용하여 반도체 기판(10) 상에 형성할 수 있다. 이후, 상기 나노 템플레이트가 형성된 반도체 기판(10)을 항체가 함유된 용액 내에 배치하여, 원하는 영역에 항체를 선택적으로 부착시킬 수 있다. 이 때, 상기 나노 템플레이트는 일정한 패턴을 가지도록 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 프로브(50)는 패턴 형태로 형성될 수 있다.
상기 프로브(50)는 세포액 내에 함유된 표적 세포와 결합하는 항체로 이루어질 수 있다. 일 예로, 상기 표적 세포가 암세포인 경우, 상기 프로브(50)는 암세포와 특이적으로 결합하는 항체로 이루어질 수 있다.
도 3f를 참조하면, 프로브(50)가 배치된 센싱 유전막(40) 상에 세포액 챔버(60)를 형성한다. 상기 세포액 챔버(60)는 감광성 폴리머로 이루어질 수 있다. 상기 세포액 챔버(60)는 감광성 폴리머 물질을 상기 센싱 유전막(40) 상에 코팅한 후, 이를 패터닝하여 형성할 수 있다. 상기 세포액 챔버(60)는 표적 세포를 함유하는 세포액이 프로브(50)와 접촉될 수 있는 모든 형태로 형성될 수 있다. 상기 감광성 폴리머 물질의 코팅을 위해 진공증착, 스핀 코팅, 딥 코팅, 드롭 코팅 또는 스프레이 코팅 등 통상의 코팅법이 사용될 수 있다. 상기 패터닝을 위해 통상의 리소그래피와 식각이 사용될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
10: 반도체 기판 20: 기준 유전막
30: 탐지 전극 40: 센싱 유전막
50: 프로브 60: 세포액 챔버
70: 표적 세포
30: 탐지 전극 40: 센싱 유전막
50: 프로브 60: 세포액 챔버
70: 표적 세포
Claims (9)
- 복수개의 트렌치를 구비하는 반도체 기판;
상기 트렌치의 둘레를 따라 배치되는 기준 유전막;
상기 기준 유전막 상에, 상기 트렌치를 매립하도록 배치되는 탐지 전극;
상기 반도체 기판의 전면에 배치되는 센싱 유전막;
상기 센싱 유전막 상에 고정되는 프로브; 및
상기 프로브가 고정된 센싱 유전막 상에 배치되는 세포액 챔버를 포함하는 세포 계수 장치. - 제1항에 있어서,
상기 반도체 기판, 상기 탐지 전극 및 이들 사이에 개재된 상기 기준 유전막이 기준 커패시터를 형성하고, 상기 반도체 기판, 상기 탐지 전극 및 상기 반도체 기판과 상기 탐지 전극에 접하는 상기 센싱 유전막이 센싱 커패시터를 형성하는 세포 계수 장치. - 제1항에 있어서,
상기 반도체 기판, 상기 탐지 전극 및 이들 사이에 개재된 상기 기준 유전막이 기준 커패시터를 형성하고, 상기 복수개의 트렌치 내에 각각 매립된 복수개의 탐지 전극 중 선택되는 두 개의 탐지 전극 및 상기 탐지 전극에 접하는 상기 센싱 유전막이 센싱 커패시터를 형성하는 세포 계수 장치. - 제1항에 있어서,
상기 탐지 전극은 기준 전압의 인가로 상기 반도체 기판에 프린징 필드를 형성하는 세포 계수 장치. - 제1항에 있어서,
상기 탐지 전극은 기준 유전막 및 센싱 유전막으로 둘러싸여, 세포액과의 접촉이 차단되는 세포 계수 장치. - 제1항에 있어서,
상기 기준 유전막은 SiO2 또는 TiO2를 포함하고, 상기 센싱 유전막은 Si3N4, Al2O3, CeO2, HfO2, La2O3, Ta2O5, Y2O3, ZrO2, ZrAlO, HfAlO, ZrTiO4, SnTiO4 및 SrTiO3 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 세포 계수 장치. - 반도체 기판에 복수개의 트렌치를 형성하는 단계;
상기 트렌치의 둘레를 따라 기준 유전막을 형성하는 단계;
상기 트렌치 내부를 매립하는 탐지 전극을 형성하는 단계;
상기 반도체 기판의 전면에 센싱 유전막을 형성하는 단계;
상기 센싱 유전막 상에 프로브를 고정시키는 단계; 및
상기 센싱 유전막 상에 세포액 챔버를 형성하는 단계를 포함하는 세포 계수 장치의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 복수개의 트렌치 각각은 5㎛ ∼ 50㎛의 간격을 두고 형성되는 세포 계수 장치의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 기준 유전막은 1㎛ ∼ 5㎛의 두께를 가지도록 형성되고, 상기 센싱 유전막은 1nm ∼ 50nm의 두께를 가지도록 형성되는 세포 계수 장치의 제조방법.
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