KR101727301B1 - 형광 신호 감지 특성이 개선된 바이오칩의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 바이오칩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 제조방법 및 그 제조방법에 의해 제조된 바이오칩에 관한 것으로, 바이오층과 광 감지 센서층의 사이에 필터층을 구비하여 바이오 반응과정에서 발생하는 잡광에 의한 노이즈를 제거하여 광 감지 센서층에서의 감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

형광 신호 감지 특성이 개선된 바이오칩의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 바이오칩{A manufacturing method for biochip improved sensitivity property for fluorescence signal and the biochip manufactured by the same}
본 발명은 바이오칩의 제조방법 및 바이오칩에 관한 것으로, 위치기반의 다중 감지 기능이 가능하며 실시간 정량(real time quantitative) PCR에 응용 가능한 형광 신호 감지 특성이 개선된 바이오칩의 제조방법 및 그 제조방법에 의해 제조된 바이오칩에 관한 것이다.
일반적으로 바이오칩은 유리, 금과 같은 금속, 나일론 등의 재질을 갖는 기판 위에 DNA, 단백질 등의 생물학적 물질들로 구성되는 기준시료가 규칙적으로 배열된 형태로 형성된다.
바이오칩은 기판에 고정된 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응을 기본적으로 이용하며, 이러한 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응의 대표적인 예로 디엔에이(DNA) 염기간의 상보적인 결합이나 항원-항체 면역 반응 등을 들 수 있다.
광학기반의 바이오칩에 의한 정량 및 정성 진단은 대부분 생화학적인 반응의 결과가 감지가능한 빛으로 변환되는 과정을 통하여 기준시료와 표적시료의 생화학적 반응의 정도를 검출함으로써 이루어진다. 일반적으로 이용되는 광학 변환 매개체로는 화학 결합에 의한 발색, 화학 발광 그리고 형광 등이 있다.
도 1은 종래의 일반적인 형광 반응 검출 시스템을 설명하시 위한 도면이다.
도 1을 참조하면 종래의 형광 반응 검출 시스템은 광원(10), 대역 필터(20), 생화학적 반응 장치(30), 형광 대역 필터(40) 및 광 감지 기구(50) 등이 별도로 분리되어 구비되어 있음을 알 수 있다.
이 경우 생화학적 반응이 발생하는 생화학적 반응 장치(30)로부터 광 감지 기구(50)까지의 거리를 R이라 하고, 광 감지 기구(50) 내의 광감지센서의 개구반지름을 r이라 할 때, 생화학적 반응의 결과로 발생한 총형광량(I)중 광감지센서로 입사되는 형광의 광량은 I( πr2 )/(4πR2 )로 줄어들게 되며 많은 광 신호를 잃게 된다.
따라서 r/R의 비율이 작아지게 되면 광감지센서로 입사하는 빛의 양이 작아져 감도가 떨어지게 되며, r/R의 비율이 1에 가까워질수록 감도가 우수해진다. 따라서 감지 감도를 최대한 높이기 위해서는 광감지 센서와 바이오 반응영역의 위치를 최대한 근접하게 구현하는 것이 필요하다.
도 2는 종래의 이러한 문제를 해결하기 위한 광 감지 센서가 결합된 바이오칩의 단면을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래의 광 감지 센서가 결합된 바이오칩(100)은, 바이오층(110) 및 광 감지 센서층(120)을 구비한다.
바이오층(110)은 기준시료(111a)와 표적시료(111b)의 생화학적인 반응이 일어나는 반응영역(111)이 형성되어 있다. 그리고 상기 생화학적인 반응의 결과를 판단할 수 있도록 반응의 정도에 상관하여 발광물질 또는 형광물질을 잔류하도록 하게 한다.
여기서, 발광물질이 잔류하는 경우에는 상기 발광물질 자체에서 빛이 발생하도록 외부 환경을 구성하면 되므로 별도의 광원이 필요하지 않으나 형광물질이 잔류하는 경우에는 상기 형광물질을 여기시키기 위한 별도의 광원이 필요하다.
이를 위하여 종래에는 광학 센서 상단에 별도의 외부광원과 형광 대역 필터를 사용하거나 바이오층(110) 내에 하부에 반사판(113)을 구비한 발광소자(112)를 내장하여 발광 소자에서 방출된 광원을 사용하여 바이오층 내의 형광물질을 여기시키는 방법을 사용하였다.
그러나 이러한 종래의 바이오칩의 경우 외부광원 및 내부의 발광 소자에서 방출된 빛에 의해 생화학적 바이오 반응에 의한 형광 신호가 발생됨과 동시에 형광신호에 대비하여 수천 배 내지 수만 배에 달하는 여기 광원의 잡음 신호가 발생되고, 이러한 잡음신호가 광 감지 센서층으로 유입됨으로써, 생화학적 바이오 반응에 따른 형광 신호를 제대로 검출할 수 없는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 형광물질을 여기 시키기 위해 하부에 금속배선층을 구비한 발광 소자를 바이오칩의 내부에 형성하며, 이와 별도로 바이오층과 광 감지 센서층의 경계에 형광을 발현하기 위한 여기 광원의 유입을 차단하기 위한 여기 광원 대역 차단 필터층을 형성하고, 이에 추가하여 광 센서층 상단에 발현하고자 하는 형광 물질의 파장 대역에 따라 여기 광원은 차단하고 형광 신호는 투과시켜 줄 수 있는 컬러 필터층을 형성해 줌으로서 바이오층에서 발생하는 여기 광원 노이즈가 광 감지 센서층에 유입되는 것을 최대한 차단해 냄으로서 더욱 미세한 형광 신호 검출이 가능할 수 있도록 형광 신호 감지 특성이 개선된 바이오칩의 제조방법 및 그 제조방법에 의해 제조된 바이오칩을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 제조방법은, 반도체 기판에 복수의 광감지부가 구비되어 있는 광 감지 센서층을 형성하는 광 감지 센서층 형성단계; 상기 광 감지 센서층의 표면을 평탄화하는 평탄화 단계; 상기 평탄화된 광 감지 센서층의 상부에 필터층을 형성하는 필터층 형성단계; 상기 필터층의 상부에 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역이 형성되며, 발광소자가 내장되어 있는 바이오층을 형성하는 바이오층 형성단계;를 구비하되 상기 발광소자에서 발광된 빛이 상기 광감지부로 입사되는 것이 차단되는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩은, 하부에 금속배선층을 구비한 발광소자가 내장되며, 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역이 형성되어 있는 바이오층; 상기 바이오층의 하부에 형성된 필터층; 및 상기 필터층의 하부에 형성되며, 복수의 광감지부가 형성되어 있는 광 감지 센서층을 포함하되, 상기 필터층은 상기 광 감지 센서층의 상부를 평탄화시킨 후 나노 단위의 박막을 원자층 증착공정을 통해 적층하여 형성되고, 상기 발광소자에서 발광된 빛이 상기 광감지부로 입사되는 것이 차단되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 형광신호 감지 특성이 개선된 바이오칩의 제조방법 및 그 제조방법에 의해 제조된 바이오칩에 의하면 바이오층과 광 감지 센서층의 사이에 금속배선층과 형광 여기 광원을 차단하는 필터층을 구비하여 바이오 반응과정에서 발생하는 형광 여기 광원에 의한 노이즈를 최소화하여 광 감지 센서층에서의 미세 형광 신호 감지 능력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 미세한 형광신호 감지 기능이 향상된 형광 센서, 광원, 위치 기반 multiplex가 가능한 바이오 반응 영역이 구비된 바이오 LOC(Lab On a Chip) 센서는 형광 기반 실시간 정량(real time quantative) PCR 응용에 적합하여 많은 정량 분자 진단의 진단 시간과 비용을 줄이는데 효과가 있다. 또한 산업적으로는 다양한 바이오 메디컬 시장의 사업 모델을 가능하게 하는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 형광반응 검출 시스템을 도시한 도면이다.
도 2은 종래의 광 감지 센서가 결합된 바이오칩의 단면도를 도시한 도면이다.
도 3는 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 제조방법의 공정 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 제조방법의 공정 흐름에 따른 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 제조방법 중 필터층 형성단계의 세부공정 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 제조방법 중 필터층 형성단계의 세부공정 흐름에 따른 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 제조방법 중 바이오층 형성단계의 일 실시예의 세부공정 흐름도이다.
도 8은 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 제조방법 중 바이오층 형성단계의 다른 일 실시예의 세부공정 흐름도이다.
도 9는 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 제조방법 중 바이오층 형성단계의 또 다른 일 실시예의 세부공정 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩에서 발광소자와 금속배선층의 두께 및 폭의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩에서 광감지부의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩이 적용되는 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩이 적용되는 시스템을 이용하여 실시간 정량 PCR을 하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩을 이용하여 DNA 마이크로어레이 방식으로 위치기반 다중진단을 실시하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 감도특성이 개선된 바이오칩의 제조방법의 공정 흐름도이고, 도 4는 본 발명에 따른 감도특성이 개선된 바이오칩의 제조방법의 공정 흐름에 따른 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 감도특성이 개선된 바이오칩의 제조방법은 광감지 센서층 형성단계(S100), 평탄화 단계(S200), 필터층 형성단계(S300) 및 바이오층 형성단계(S400)를 구비한다.
광감지 센서층 형성단계(S100)는 반도체 기판에 복수의 광감지부를 구비하도록 함으로써 광감지 센서층(430)을 형성한다.(도 4의 (a) 참조)
이때 광감지부(431)로는 포토다이오드를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 본 발명의 형광 감지 시스템의 안정적인 동작과 폭넓은 감지 동작 범위를 확보하기 위해 한 포토다이오드 배열(array)에 크기가 다른 포토다이오드를 혼합하여 배치할 수도 있다.
한편, 광원의 투과깊이(penetration depth)를 고려하여 포토다이오드의 깊이를 조절함으로써 필터의 기능을 보완할 수 있다.
즉, 광원의 투과깊이(penetration depth)를 고려하여 형광여기광원, 즉, 발광소자에서 발광되는 빛은 차단하고 바이오 반응에 의한 형광은 대부분 흡수될 수 있도록 광감지 센서층을 형성하는 단계에서 광감지부의 매립깊이를 조절함으로써 필터의 기능을 보완할 수 있다.
바이오 반응을 위해 사용되는 발광소자는 블루 계열의 광원을 사용하는 것이 일반적이며, 이와 같이 블루 광원을 사용하는 경우 광감지부를 반도체 기판의 표면으로부터 0.2 내지 0.4 마이크로미터의 깊이로 매립하여 형성되도록 함으로써 감도를 향상시킬 수 있다.
한편, 광감지 센서층 형성단계(S100)에서는 광감지 센서층 내에 형광반응 전후의 신호를 처리하여 형광 반응에 의한 신호를 얻을 수 있는 이미지 신호처리기(Image Signal Processor : 이하 'ISP'라 한다.)를 더 구비할 수 있으며, ISP의 구체적인 동작에 대해서는 후술하기로 한다.
평탄화 단계(S200)에서는 상기 광감지 센서층(430)의 상부를 평탄화한다.(도 4의 (b) 참조)
갓 형성한 광 감지 센서층(430)의 상부 표면은 매끄럽지 못하고 굴곡이나 흠집이 있는 것이 일반적인데 이는 반도체 제조공정에서 일어나는 화학적 반응이나 불순물의 주입과정에 기인한 것이다. 이러한 굴곡진 표면 또는 흠집이 있는 표면에 본 발명과 같이 극히 얇은 나노 단위의 박막을 한 층 이상 형성할 경우 박막의 증착이 용이하지 아니하며 이로 인해 필터층의 기하학적 구조에 이상이 생겨 필터 특성이 저하되며, 필터층을 수 십층, 예를 들어 16 내지 40 층(layer)의 박막을 증착하여 필터층을 형성하는 경우에도 이러한 문제점은 각 필터층마다 누적될 뿐 해결되지 않는다.
따라서 광 감지 센서층(430)의 상부에 필터층(420)을 형성하기 전에 필터층(420)이 형성될 표면을 균일하게 평탄화하는 공정이 반드시 필요하게 된다.
통상의 반도체 공정에서의 평탄화 공정은, 상부 구조물의 안정한 형성을 위한 것이지만, 본 발명에서의 평탄화 공정은 광 감지 센서층에 도달하는 광질(光質)의 저하를 막기 위해서 필요한 것이며, 필터층(420)을 보다 평탄한 평면 위에 형성할 수 있도록 한다.
이때 평탄화 과정은 화학적 기계적 평탄화(Chemical Mechanical Polishing : CMP) 공정에 의해 진행될 수 있다.
도 4에서는 전면광(Front Side Illumination : FSI) 이미지센서를 예시적으로 설명하였으나 배면광(Back Side Illumination : BSI) 이미지센서에 대해서도 적용할 수 있음은 당연하다.
전면광(Front Side Illumination : FSI) 이미지센서의 경우 필터층이 형성될 표면의 하부에 메탈층이 존재하게 되며, 이로 인해 평탄화 과정에 있어서 전기적인 균일도가 깨지고 다루기도 용이하지가 않다. 그러나 배면광(Back Side Illumination : BSI) 이미지센서의 경우 필터층이 형성될 표면의 하부에 메탈층이 존재하지 않으며, 실리콘 기판 위에 바로 박막을 증착할 수 있으므로 평탄화 공정 과정에서 메탈 층으로 인한 문제가 발생하지 않는다. 따라서 평탄화 공정을 수행하는 측면에서 볼 때 배면광(Back Side Illumination : BSI) 이미지센서를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
이어서 필터층 형성단계(S300)에서는 상기 평탄화된 광 감지 센서층(430)의 상부에 필터층(420)을 형성하게 된다.(도 4의 (c) 참조)
바이오층(410) 내에 구비된 발광소자(412)에서 방출된 대부분의 빛은 금속배선층(413)에 의해 차단되어 광 감지 센서층(430)으로 입사되지 않지만, 일부의 빛이 광 감지 센서층(430)으로 입사될 수 있다.
또한 발광소자(412)에서 방출되어 바이오 반응이 일어나는 반응영역(411)으로 입사된 빛의 일부는 반응영역(411)에서 반사되어 광 감지 센서층(430)으로 입사될 수 있다.
이와 같이 광 감지 센서층(430)으로 입사된 원하지 않는 빛은 노이즈로 작용하게 되어 이미지센서의 감도를 저하시키는 요인이 된다.
따라서 이러한 감도저하를 방지하기 위해 불필요한 빛이 광 감지 센서층(430)으로 입사되지 않도록 차단할 수 있는 필터층(420)을 구비하는 것이 요구된다. 또한 원하는 필터 특성 곡선을 얻을 수 있도록 필터층(420)의 두께를 조절하는 것도 매우 중요하다.
필터층(420)은 화학적 증기증착법(Chemical Vapor Deposition :　CVD) 이나 물리적 증기증착법(Physical Vapor Deposition :　PVD)에 의해 한 번에 증착하는 공정을 통해 형성될 수도 있으나 이러한 경우 막질이 균일하지 못하고 일정 수준 이상의 감도를 확보할 수 없는 문제가 있다.
따라서 원자층증착공정(Atomic Layer Deposition :　ALD)을 이용하여 산화막이나 질화막 등의 박막을 나노 단위로 16 내지 40 층으로 차례로 증착하여 필터층을 형성하는 것이 더욱 바람직하다.
도 5는 본 발명에 따른 감도특성이 개선된 바이오칩의 제조방법 중 필터층 형성단계의 세부공정 흐름도이고 도 6은 본 발명에 따른 감도특성이 개선된 바이오칩의 제조방법 중 필터층 형성단계의 세부공정 흐름에 따른 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참고하면 필터층 형성단계(S300)는 칼라필터층 형성단계(S310), 오버코팅 및 패시베이션층 형성단계(S320), 평탄화단계(S330), 형광여기광원 대역차단 필터층 형성단계(S340) 및 절연막층 형성단계(S350)를 구비한다.
칼라필터층 형성단계(S310)에서는 바이오반응에 의한 형광 대역의 신호는 투과시키고 형광여기광원 대역의 신호는 차단하는 칼라필터층(421)을 형성한다.
이어서 칼라필터층의 상단에 회로를 보호하기 위한 오버코팅 및 패시베이션층(422)을 형성하고(S320) 오버코팅 및 패시베이션층의 표면의 평탄도를 개선시키기 위해 상단 표면을 평탄화시킨다.(S330)
형광여기광원 대역차단 필터층 형성단계(S340)에서는 상기 평탄화된 오버코팅 및 패시베이션층(422)의 상부에 형광여기광원 대역의 신호를 차단하는 형광여기광원 대역차단 필터층(423)을 형성한다.
이어서 상기 형광여기광원 대역차단 필터층(423)의 상부에 산화막 또는 질화막의 박막을 나노 단위로 적층하여 절연막층(424)을 형성한다.(S350)
바이오층 형성단계(S400)에서는 상기 필터층(420)의 상부에 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역(411) 및 발광소자(412)가 내장된 바이오층(410)을 형성한다.(도 4의 (d) 참조)
반응영역(411)은 필터층(420)의 상부 측면에 댐구조물(414)을 형성하여 기준시료와 표적시료의 수납을 용이하게 하여 오염없이 바이오반응이 일어날 수 있도록 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 바이오층 형성단계(S400)에서는 발광소자의 동작을 제어하는 발광소자제어부(미도시) 및 반응영역(411)에서의 반응온도를 감지하여 반응의 시작과 종결을 제어할 수 있도록 하는 온도센서(미도시)가 바이오층(410)의 내부에 내장되도록 할 수도 있다.
도 7은 본 발명에 따른 감도특성이 개선된 바이오칩의 제조방법 중 바이오층 형성단계의 일 실시예의 세부공정 흐름도이다.
도 7을 참고하면 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오층 형성단계는 금속배선층 형성단계(S411), 발광소자 형성단계(S421), 댐구조물 형성단계(S431)를 구비한다.
금속배선층 형성단계(S411)에서는 상기 필터층의 상부에 광원차단 및 배선을 위한 금속배선층을 형성한다.
이어서 발광소자 형성단계(S421)에서는 상기 금속배선층의 상부에 상기 발광소자를 형성하여 발광소자에서 발광된 빛이 광감지부로 유입되는 것을 차단한다. 또한 발광소자 및 금속배선층을 광감지부의 수직 상부에 형성함으로써 발광소자에서 발광된 빛이 광감지부로 유입되는 것을 최소화하도록 한다.
댐구조물 형성단계(S431)에서는 상기 필터층의 상부 측면에 댐구조물을 형성하여 상기 댐구조물 사이에 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역이 형성되도록 한다.
도 8은 본 발명에 따른 감도특성이 개선된 바이오칩의 제조방법 중 바이오층 형성단계의 다른 실시예의 세부공정 흐름도이다.
도 8을 참고하면 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 바이오층 형성단계는 금속배선층 형성단계(S412), 발광소자 형성단계(S422), 댐구조물 형성단계(S432)를 구비한다.
금속배선층 형성단계(S412)에서는 상기 필터층의 상부에 광원차단 및 배선을 위한 금속배선층을 형성한다.
이어서 발광소자 형성단계(S421)에서는 상기 금속배선층의 상부에 상기 발광소자를 형성하여 발광소자에서 발광된 빛이 광감지부로 유입되는 것을 차단한다. 또한 발광소자 및 금속배선층을 광감지부의 수직 상부에 형성함으로써 발광소자에서 발광된 빛이 광감지부로 유입되는 것을 최소화하도록 한다.
댐구조물 형성단계(S432)에서는 상기 발광소자의 상부에 댐구조물을 형성하여 상기 댐구조물 사이에 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역이 형성되도록 한다.
도 8에 도시된 바이오층 형성단계는 도 7에 도시된 바이오층 형성단계와 비교하여 댐구조물을 발광소자의 상부에 형성하고 그 댐구조물 사이에 반응영역을 형성하는 점에서 차이가 있다.
도 9는 본 발명에 따른 감도특성이 개선된 바이오칩의 제조방법 중 바이오층 형성단계의 또 다른 실시예의 세부공정 흐름도이다.
도 9를 참고하면 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 바이오층 형성단계는 댐구조물 형성단계(S413) 및 발광소자 형성단계(S423)를 구비한다.
댐구조물 형성단계(S413)에서는 상기 필터층의 상부 측면에 댐구조물을 형성하여 상기 댐구조물 사이에 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역이 형성되도록 한다. 이때 댐구조물의 내부면을 렌즈형태로 형성하여 발광소자에서 발광된 빛이 렌즈형태의 댐구조물에서 굴절되어 투과될 때 광감지부로 입사되는 것이 차단되도록 한다.
발광소자 형성단계(S423)에서는 상기 댐구조물의 외부 측면에 발광소자를 형성한다.
한편, 도 7 내지 도 9에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오층 형성단계는 상기 반응영역내의 기준시료 및 표적시료와의 접촉을 차단하여 전기적인 쇼트를 방지하기 위해 상기 발광소자의 외부를 코팅하는 발광소자 코팅단계를 더 구비할 수 있다.
또한 상기 바이오층의 상부에 상기 발광소자에서 방출되는 광원의 반사를 방지하는 반사방지막을 형성하는 반사방지막 형성단계를 더 구비할 수도 있다.
도 10은 본 발명에 따른 감도특성이 개선된 바이오칩의 제조방법에 따라 제조된 바이오칩의 일 실시 예를 나타내는 구성도이다.
도 10을 참조하면 본 발명에 따른 감도특성이 개선된 바이오칩의 제조방법에 의해 제조된 바이오칩(1000)은, 바이오층(1010), 필터층(1020) 및 광 감지 센서층(1030)을 구비한다.
바이오층(1010)은, 상기 필터층의 상부에 광원차단 및 배선을 위해 형성된 금속배선층(1013), 상기 금속배선층의 상부에 형성된 발광소자(1012), 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역(1011)을 형성하기 위해 상기 필터층의 상부 측면에 형성된 댐구조물(1014)을 포함한다.
이때 발광소자(1012)는 상기 광감지부(1031)의 수직상부에 형성되어 상기 발광소자(1012)에서 발광된 빛이 상기 광감지부(1031)로 입사되는 것이 차단된다.
한편, 도면에 도시하지는 않았으나 바이오층(1010)은 발광소자제어부 및 온도센서를 더 구비할 수 있다.
복수의 반응영역(1011)은 바이오층(1010) 상부에 대개 홈의 형태로 형성되어 있으며, 기준시료와 표적시료간에 생화학적인 반응이 일어나는 장소이다. 생화학적 반응은 기준시료가 구비된 반응영역(1011)내로 표적시료가 첨가되면서 이루어진다.
기준시료는 표적시료의 생화학적 반응을 위한 다양한 종류의 시료이다. 기준시료는 바이오칩에서 어떠한 생화학적인 반응을 목표로 하는 것인가에 따라서 달라진다. 예를 들면, 생화학적인 반응이 항원-항체 반응이라면 기준시료는 항원이 될 수 있다.
표적시료는 기준시료에 따라서 결정된다. 예를 들면, 기준시료가 항원이라면 표적시료는 혈액 등이 될 수 있다.
이때 발광소자(1012)의 하부에 금속배선층(1013)을 형성하여 발광소자(1012)에서 방출되는 빛이 광 감지 센서층(1030)에 입사되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
발광소자는 일정한 파장(λ1)의 빛을 방출하고 온-오프(On-Off) 등을 제어할 수 있는 발광소자 제어부(미도시)와 연결된다. 일반적으로 발광소자는 전류가 흐를 때 빛을 방출하며 우수한 발광효율을 가지는 LED(Light Emitting Diode)를 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 금속배선층(1013)은 발광소자(1012)에서 방출되는 빛이 광 감지 센서층(1030)으로 입사되지 않도록 그 모양을 적절히 변형할 수도 있다. 예를 들면, 금속배선층(1013)이 상기 발광소자(1012)를 감싸면서 반응영역(1011)내 잔류하는 형광물질 쪽으로만 열려있는 모양으로 구성할 수도 있다.
또한, 온도센서(미도시)는 반응영역(1011)에서의 반응온도를 감지하여 반응의 시작과 종결을 제어할 수 있도록 한다.
필터층(1020)은 상기 평탄화된 광 감지 센서층의 상부에 형성된 칼라필터층(1021), 상기 칼라필터층의 상부에 형성된 오버코팅 및 패시베이션층(1022), 상기 오버코팅 및 패시베이션층의 상부에 형성된 형광여기광원 대역차단 필터층(1023) 및 상기 형광여기광원 대역차단 필터층의 상부에 나노 단위의 산화막 또는 질화막의 박막이 적층되어 형성된 절연막층(1024)을 포함한다.
필터층(1020)은 바이오층(1010)과 광 감지 센서층(1030) 사이에 위치하며 발광소자에서 방출되는 빛 또는 발광소자에서 방출된 후 반응영역에서 반사된 빛이 광 감지 센서층(1030)으로 입사되는 것을 차단하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 바이오칩의 필터층(1020)은 원자층증착공정(Atomic Layer Deposition :　ALD)을 이용하여 산화막이나 질화막 등의 박막을 나노 단위로 16 내지 40 층(layer)으로 차례로 증착하여 형성된다.
광 감지 센서층(1030)은 상기 필터층(1020) 하부에 위치되며, 복수의 광감지부(1031)를 구비한다.
복수의 광감지부(1031)는 광 감지 센서층(1030)의 표면 또는 표면으로부터 소정의 깊이에 매립되어 형성되며 빛을 감지하여 그에 상응하는 전하를 생성한다. 복수의 광감지부(1031) 각각에는 생성된 전하를 바탕으로 상응되는 전기적 신호를 생성하기 위한 주변회로(미도시)가 연결된다. 복수의 광감지부(1031)는 CCD(Charge Coupled Device) 형태의 이미지센서나 CMOS(Complementary MOS) 형태의 이미지센서를 대표적인 예로 들 수 있다.
한편, 광 감지 센서층(1030)은 형광반응 전후의 신호를 처리하여 형광 반응에 의한 신호를 얻을 수 있는 이미지신호처리기(1032, Image Signal Processor : 이하 'ISP'라 한다.)를 더 구비할 수 있다.
ISP(1032)는 형광반응 전후로 발광소자에서 방출된 빛에 의해 반사되는 신호를 처리함으로써 각 픽셀단위로 발생할 수 있는 시간에 따른 노이즈(temporal noise)를 제거하는 기능을 수행하는바 이하에서 설명하기로 한다.
먼저 바이오층 내에 형광반응이 진행되는 반응영역을 형성하고 형광반응을 진행하기 전에 발광소자제어부에 의해 먼저 발광소자(LED)를 켠다.
이때 발광소자에서 방출된 빛은 형광 반응을 위한 반응영역에서 반사되어 광감지부에 도달하게 되고 광감지부는 반응영역에서 반사된 신호를 감지하고 전기적 신호를 출력한다.(S1)
이러한 동작을 n번에 걸쳐 실시하고 반사된 신호를 감지하여 전기적 신호(S1~Sn)를 출력한 후 평균값을 계산하여 형광 반응전 전기적 신호의 평균값을 구한다.
이러한 과정을 픽셀단위로 수행하여 픽셀 단위로 전기적 신호의 평균값(S_ext)을 얻어 레퍼런스 데이터로 저장을 한다.
이후 형광 반응을 일으키고 다시 픽셀 단위로 전기적 신호의 평균값(S_signal)를 얻어 그 데이터를 저장한다.
이때 얻어지는 전기적 신호의 평균값(S_signal)은 형광반응 전에 얻어진 전기적 신호의 평균값(Sext)과 형광반응에 의한 전기적 신호의 평균값(S_형광)의 합이 된다.
따라서 형광반응 이후 얻어진 신호 값(S_signal)에서 형광 반응 전의 신호 값(S_ext)을 빼면 형광 반응에 의한 신호 값(S_형광)을 구할 수 있다.
이와 같이 반복적인 측정을 통해 신호를 얻은 후 이를 적분하여 평균값을 구함으로써 픽셀의 시간에 따른 노이즈(temporal noise)를 제거하여 감도를 증가시킬 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 ISP는 신호를 적분하는 기능을 갖추어야 하고 적분된 데이터를 연산하고 저장할 수 있는 저장수단으로 메모리 등을 내장하는 것이 바람직하다.
즉, ISP 내부에는 형광반응이 진행되기 이전에 상기 바이오층에서 반사된 신호를 감지하여 이를 적분한 후 픽셀단위로 전기적 신호의 평균값을 구하여 이를 저장하는 제1메모리와, 형광반응이 진행된 이후 상기 바이오층에서 반사된 신호를 감지하여 이를 적분한 후 픽셀단위로 전기적 신호의 평균값을 구하여 이를 저장하는 제2 메모리 및 상기 제1메모리와 제2메모리에 저장된 값을 비교하여 형광 반응에 의한 신호 값을 얻는 비교부;를 구비할 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 감도특성이 개선된 바이오칩의 제조방법에 따라 제조된 바이오칩의 다른 일 실시 예를 나타내는 구성도이다.
도 11을 참조하면 본 발명에 따른 감도특성이 개선된 바이오칩의 제조방법에 의해 제조된 바이오칩(1100)은, 바이오층(1110), 필터층(1120) 및 광 감지 센서층(1130)을 구비한다.
필터층(1120) 및 광 감지 센서층(1130)은 도 10에서 설명한 필터층(1020) 및 광 감지 센서층(1030)과 비교하여 구성 및 기능이 동일한 것이므로 상세한 설명은 생략한다.
바이오층(1110)은 상기 필터층의 상부에 광원차단 및 배선을 위해 형성된 금속배선층(1113), 상기 금속배선층의 상부에 형성된 발광소자(1112) 및 상기 발광소자의 상부에 형성된 댐구조물(1114)을 포함한다.
한편, 상기 댐구조물(1114)의 사이에는 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역(1111)이 형성되며, 상기 발광소자(1112)는 상기 광감지부(1130)의 수직상부에 형성되어 상기 발광소자에서 발광된 빛이 상기 광감지부로 입사되는 것이 차단된다.
도 11에 도시된 바이오층(1110)은 도 10과 비교하여 발광소자(1112)의 상부에 댐구조물(114)이 형성되며 댐구조물(1114) 사이에 반응영역(1111)이 형성된다는 점에서 차이가 있다.
도 12는 본 발명에 따른 감도특성이 개선된 바이오칩의 제조방법에 따라 제조된 바이오칩의 또 다른 일 실시 예를 나타내는 구성도이다.
도 12를 참조하면 본 발명에 따른 감도특성이 개선된 바이오칩의 제조방법에 의해 제조된 바이오칩(1200)은, 바이오층(1210), 필터층(1220) 및 광 감지 센서층(1230)을 구비한다.
필터층(1220) 및 광 감지 센서층(1230)은 도 10에서 설명한 필터층(1020) 및 광 감지 센서층(1030)과 비교하여 구성 및 기능이 동일한 것이므로 상세한 설명은 생략한다.
이때 바이오층(1210)은 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역(1211)을 형성하기 위해 상기 필터층(1220)의 상부 측면에 형성된 댐구조물(1214) 및 상기 댐구조물의 외부 측면에 형성된 발광소자(1212)를 포함한다.
이때, 상기 댐구조물(1214)의 내부면은 렌즈형태로 이루어지며 상기 발광소자(1212)에서 발광된 빛이 상기 렌즈형태의 댐구조물(1214)에서 반사되어 상기 광감지부(1230)로 입사되는 것이 차단된다.
본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩은 상기 광감지 센서층, 상기 필터층 및 상기 바이오층을 외부와 분리시키기 위한 분리구조물을 더 포함하는 것이 바람직하다. 또한 상기 댐구조물 또는 상기 분리구조물을 덮어서 상기 반응영역을 밀폐시키는 절연덮개(isolation cover)를 더 구비할 수도 있다.
이때 댐 구조물의 재질은 실리콘(Si), 글래스(glass), 플라스틱, 사파이어, 포토레지스트, 다이아몬드, 그래핀 또는 메탈 중에서 선택된 적어도 하나 이상인 것이 바람직하다.
도 13은 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩에서 발광소자와 금속배선층의 두께 및 폭의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 13에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩에서 발광소자와 금속배선층의 두께와 길이 및 광감지부의 길이는 아래의 식에 의해 결정된다.
tanθ = tL x (WM-WL)/2
WPS = tM / tanθ
WP = 2WPS + WM
이때, θ는 발광소자의 상단부와 금속배선층의 상단부 및 광감지부의 상단끝단부를 연결하는 직선과 광감지부의 상부면이 이루는 각이고, tL은 발광소자의 두께, tM은 금속배선층의 두께, WL은 발광소자의 길이, WM은 금속배선층의 길이, WP는 광감지부의 길이, WPS는 광감지부중 상부에 금속배선층이 형성되지 않은 부분의 길이를 말한다.
도 14는 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩에서 광감지부의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
광감지 센서층에는 복수의 광감지부가 구비되어 있으며, 이때 광감지부로는 포토다이오드를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩에서 시스템의 안정적인 동작과 폭넓은 감지 동작 범위를 확보하기 위해 도 14와 같이 한 종류의 크기를 갖는 단위 포토다이오드를 배치하거나 단위 포토다이오드의 정수배의 크기를 갖는 포토다이오드의 반복적인 배열(array)인 광감지부를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
도 15는 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩이 적용되는 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 바이오칩을 포함하는 분자 진단 키트는 이 키트와 상대적으로 짝을 이루어 각 키트가 가지고 있는 개개의 편차를 보정해내고, 분자 진단에 사용되는 생화학 물질들의 반응체계에 적합하도록 키트와 주변 환경을 동작시키고, 각각의 단계에 부합하는 온도 등을 제어하며, 키트로부터 도출되는 감지 데이터를 채집하고 분석/처리하여 최종적인 분자 진단 결과를 만들어 내는 리더(reader) 시스템을 필요로 한다.
본 발명에 따른 바이오칩을 포함하는 분자 진단 키트는 주제어부(Main MCU)를 통해 리더(reader) 시스템과 연결되며 감지 측정 결과를 처리하여 감지 과정에서 유발된 다양한 노이즈를 제거하고 순수 신호를 적출하여 적분하는 과정을 통해 안정적이고 확인 가능한 신호를 확보해 내는 것을 특징으로 한다.
도 16은 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩이 적용되는 시스템을 이용하여 실시간 정량 PCR을 하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
기존 PCR(Polymer Chain Reaction) 방식은 PCR 후 증폭된 DNA를 확인하기 위하여 전기영동 실험을 진행하며 목표 DNA의 증폭 유무를 통해 해당 시료에 목표 DNA가 있었는지 여부를 확인하는 방식이었다. 그러나 이러한 방식으로는 목표 DNA의 양이 PCR 전에 얼마였는지 확인할 수가 없다.
실시간 정량 PCR은 PCR의 열적 사이클(thermal cycle) 이 진행되어 DNA 양이 증폭되는 것을 형광을 통하여 실시간으로 측정하는 방식이다. 사이클이 진행됨에 따라 형광량이 많아지고 이를 감지하여 그래프를 그리게 되지만 초기 DNA의 양에 따라 그래프가 지수적으로 증가하는 지점(Ct 값)이 달라지게 된다. 표준 시료로 PCR 표준 곡선을 확보한 후, 미지의 시료의 PCR Ct 값을 표준 곡선에 적용하여 정량하게 된다. 본 발명은 실시간 정량 PCR이 가능하다.
한편, 본 발명은 위치기반의 다중분자진단 기능이 가능하다.
다중분자진단(Multiplexed Molecular Diagnostics)이란 분자진단(보통 PCR 진단)시 여러 개의 목표 DNA를 검출하는 방식으로서 예를 들면 어떤 환자가 결핵이 의심이 되어 검사하고자 할 때 결핵을 유발하는 박테리아 여러 종이 존재하므로 어떤 종들이 결핵을 유발하는지 확인할 필요가 있다. 이런 경우 여러 개의 목표 DNA를 한번의 PCR로 검출하는 방식을 다중분자진단이라 한다.
다중 분자진단은 한 개의 PCR 튜브에 PCR 시약과 환자의 시료를 넣고 여러 개의 목표 DNA를 검출하는 방식이 있다. 이를 위하여 서로 다른 색의 형광물질을 사용하여 형광의 파장대로 구별한다. 하지만 이 방법은 통상 6종 이하의 DNA 만을 검출할 수 있다.
또 다른 방법은 DNA 마이크로어레이(Microarray)인데 이는 기판에 목표 DNA와 상보적인 DNA(DNA probe)를 기판 표면에 고정하여 목표 DNA가 DNA 프로브에 결합했는지 여부를 파악하여 목표 DNA의 존재 유무를 확인하는 방법이다.
이 방법은 많은 수의 목표 DNA를 검출 할 수 있으나, 통상 PCR을 하고나서 증폭된 PCR을 마이크로 어레이에 흘려야 하고 결과를 얻는데 까지 여러 단계를 거쳐야 하고 시간이 많이 걸리는 단점이 있다.
본 발명에 의한 위치기반 분자진단의 검출방식은 DNA microarray와 유사한 개념이다. 즉, DNA 프로브의 위치를 사용자가 사전에 알고 있으므로 해당 위치에서 형광이 나오면 목표 DNA가 존재함을 확인하는 방식이다. 하지만 본 발명은 PCR과 DNA 검출을 결합하였고 그러한 검출이 한 장소에서 빠른 시간 내에 진행될 수 있는 장점이 있다.
도 17은 본 발명에 따른 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩을 이용하여 DNA 마이크로어레이 방식으로 위치기반 다중진단을 실시하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 17의 (a)는 DNA 프로브의 위치를 알고 있는 경우 하나의 PCR 반응 챔버 내에서 여러 가지 목표 DNA를 각각 다른 위치에서 검출하는 방식을 설명하는 도면이고, 도 17의 (b)는 여러 개의 PCR 반응 챔버를 사용하여 여러 가지 목표 DNA를 각각 다른 챔버에서 검출하는 방식을 설명하는 도면이다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (26)

  1. 반도체 기판에 복수의 광감지부가 구비되어 있는 광 감지 센서층을 형성하는 광 감지 센서층 형성단계;
    상기 광 감지 센서층의 표면을 평탄화하는 평탄화 단계;
    상기 평탄화된 광 감지 센서층의 상부에 필터층을 형성하는 필터층 형성단계; 및
    상기 필터층의 상부에 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역이 형성되며, 발광소자가 내장되어 있는 바이오층을 형성하는 바이오층 형성단계;를 구비하되
    상기 바이오층 형성단계는
    상기 필터층의 상부에 광원차단 및 배선을 위한 금속배선층을 형성하는 금속배선층 형성단계;
    상기 금속배선층 및 상기 광감지부의 수직 상부에 상기 발광소자를 형성하는 발광소자 형성단계; 및
    상기 필터층의 상부 측면에 댐구조물을 형성하여 상기 댐구조물 사이에 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역을 형성하는 댐구조물 형성단계;를 포함하되,
    상기 발광소자에서 발광된 빛이 상기 광감지부로 입사되는 것이 차단되는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 제조방법.
  2. 반도체 기판에 복수의 광감지부가 구비되어 있는 광 감지 센서층을 형성하는 광 감지 센서층 형성단계;
    상기 광 감지 센서층의 표면을 평탄화하는 평탄화 단계;
    상기 평탄화된 광 감지 센서층의 상부에 필터층을 형성하는 필터층 형성단계;
    상기 필터층의 상부에 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역이 형성되며, 발광소자가 내장되어 있는 바이오층을 형성하는 바이오층 형성단계;를 구비하되
    상기 바이오층 형성단계는
    상기 필터층의 상부에 금속배선층을 형성하는 금속배선층 형성단계;
    상기 금속배선층 및 상기 광감지부의 수직 상부에 상기 발광소자를 형성하는 발광소자 형성단계; 및
    상기 발광소자의 상부에 댐구조물을 형성하여 상기 댐구조물 사이에 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역을 형성하는 댐구조물 형성단계;를 포함하되,
    상기 발광소자에서 발광된 빛이 상기 광감지부로 입사되는 것이 차단되는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 제조방법.
  3. 반도체 기판에 복수의 광감지부가 구비되어 있는 광 감지 센서층을 형성하는 광 감지 센서층 형성단계;
    상기 광 감지 센서층의 표면을 평탄화하는 평탄화 단계;
    상기 평탄화된 광 감지 센서층의 상부에 필터층을 형성하는 필터층 형성단계; 및
    상기 필터층의 상부에 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역이 형성되며, 발광소자가 내장되어 있는 바이오층을 형성하는 바이오층 형성단계;를 구비하되
    상기 바이오층 형성단계는
    상기 필터층의 상부 측면에 댐구조물을 형성하여 상기 댐구조물 사이에 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역을 형성하는 댐구조물 형성단계; 및
    상기 댐구조물의 외부 측면에 상기 발광소자를 형성하는 발광소자 형성단계;를 포함하되,
    상기 댐구조물의 내부면은 렌즈형태로 이루어지며 상기 발광소자에서 발광된 빛이 상기 렌즈형태의 댐구조물에서 굴절되어 투과될 때 상기 광감지부로 입사되는 것이 차단되는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 제조방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 평탄화 단계는
    화학적 기계적 평탄화 공정을 이용하여 진행되는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 향상된 바이오칩의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 평탄화 단계는
    상기 복수의 광감지부가 형성된 부분의 상부면을 평탄화시키는 단계인 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 평탄화 단계는
    상기 반도체 기판을 뒤집어서 상기 복수의 광감지부가 형성된 부분의 반대면을 평탄화시키는 단계인 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 제조방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 필터층 형성단계는
    상기 평탄화된 광 감지 센서층의 상부에 형광여기광원 제거용의 칼라필터층을 형성하는 단계;
    상기 칼라필터층의 상부에 오버코팅 및 패시베이션층을 형성하는 단계;
    상기 오버코팅 및 패시베이션층의 상부 표면을 평탄화하는 단계;
    상기 평탄화된 오버코팅 및 패시베이션층의 상부에 형광여기광원 대역차단 필터층을 형성하는 단계;
    상기 형광여기광원 대역차단 필터층의 상부에 산화막 또는 질화막의 박막을 나노 단위로 적층하여 절연막층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 필터층 형성단계는
    원자층 증착공정(ALD)을 이용하여 진행되는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제 1 항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 반응영역내의 기준시료 및 표적시료와의 접촉을 차단하여 전기적인 쇼트를 방지하기 위해 상기 발광소자의 외부를 코팅하는 발광소자 코팅단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 제조방법.
  11. 제 1 항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 바이오층 형성단계는
    상기 발광소자의 동작을 제어하는 발광소자 제어부 및 상기 반응영역의 온도를 감지하여 바이오 반응의 시작과 종결을 제어하는 온도센서를 형성하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 제조방법.
  12. 제 1 항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 광 감지 센서층 형성단계는
    상기 반도체 기판의 표면으로부터 0.2 내지 0.4 마이크로미터의 깊이로 상기 광감지부를 매립하여 형성하는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 제조방법.
  13. 제 1 항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 바이오층의 상부에 상기 발광소자에서 방출되는 광원의 반사를 방지하는 반사방지막을 형성하는 반사방지막 형성단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩의 제조방법.
  14. 바이오칩에 있어서,
    하부에 금속배선층을 구비한 발광소자가 내장되며, 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역이 형성되어 있는 바이오층;
    상기 바이오층의 하부에 형성된 필터층; 및
    상기 필터층의 하부에 형성되며, 복수의 광감지부가 형성되어 있는 광 감지 센서층을 포함하되,
    상기 필터층은 상기 광 감지 센서층의 상부를 평탄화시킨 후 나노 단위의 박막을 원자층 증착공정을 통해 적층하여 형성되고, 상기 발광소자에서 발광된 빛이 상기 광감지부로 입사되는 것이 차단되며,
    상기 바이오층은
    상기 필터층의 상부에 광원차단 및 배선을 위해 형성된 금속배선층;
    상기 금속배선층의 상부에 형성된 발광소자; 및
    기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역을 형성하기 위해 상기 필터층의 상부 측면에 형성된 댐구조물;을 포함하되,
    상기 발광소자는 상기 광감지부의 수직상부에 형성되어 상기 발광소자에서 발광된 빛이 상기 광감지부로 입사되는 것이 차단되는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩.
  15. 바이오칩에 있어서,
    하부에 금속배선층을 구비한 발광소자가 내장되며, 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역이 형성되어 있는 바이오층;
    상기 바이오층의 하부에 형성된 필터층; 및
    상기 필터층의 하부에 형성되며, 복수의 광감지부가 형성되어 있는 광 감지 센서층을 포함하되,
    상기 필터층은 상기 광 감지 센서층의 상부를 평탄화시킨 후 나노 단위의 박막을 원자층 증착공정을 통해 적층하여 형성되고, 상기 발광소자에서 발광된 빛이 상기 광감지부로 입사되는 것이 차단되며,
    상기 바이오층은
    상기 필터층의 상부에 광원차단 및 배선을 위해 형성된 금속배선층;
    상기 금속배선층의 상부에 형성된 발광소자; 및
    상기 발광소자의 상부에 형성된 댐구조물;을 구비하되,
    상기 댐구조물의 사이에는 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역이 형성되며, 상기 발광소자는 상기 광감지부의 수직상부에 형성되어 상기 발광소자에서 발광된 빛이 상기 광감지부로 입사되는 것이 차단되는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩.
  16. 바이오칩에 있어서,
    하부에 금속배선층을 구비한 발광소자가 내장되며, 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역이 형성되어 있는 바이오층;
    상기 바이오층의 하부에 형성된 필터층; 및
    상기 필터층의 하부에 형성되며, 복수의 광감지부가 형성되어 있는 광 감지 센서층을 포함하되,
    상기 필터층은 상기 광 감지 센서층의 상부를 평탄화시킨 후 나노 단위의 박막을 원자층 증착공정을 통해 적층하여 형성되고, 상기 발광소자에서 발광된 빛이 상기 광감지부로 입사되는 것이 차단되며,
    상기 바이오층은
    기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응이 일어나는 복수의 반응영역이 형성하기 위해 상기 필터층의 상부 측면에 형성된 댐구조물; 및
    상기 댐구조물의 외부 측면에 형성된 발광소자;를 구비하되
    상기 댐구조물의 내부면은 렌즈형태로 이루어지며 상기 발광소자에서 발광된 빛이 상기 렌즈형태의 댐구조물에서 반사되어 상기 광감지부로 입사되는 것이 차단되는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩.
  17. 제 14 항 내지 제 16항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 바이오층의 내부에는
    상기 발광소자의 동작을 제어하는 발광소자 제어부; 및
    상기 반응영역의 온도를 감지하여 바이오 반응의 시작과 종결을 제어하는 온도센서가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩.
  18. 제 14 항 내지 제 16항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 광 감지 센서층은
    상기 바이오층에서 출력되는 신호를 분석하여 처리하는 이미지신호처리기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 이미지신호처리기는
    형광반응이 진행되기 이전에 상기 바이오층에서 반사된 신호를 감지하여 이를 적분한 후 픽셀단위로 전기적 신호의 평균값을 구하여 이를 저장하는 제1메모리;
    형광반응이 진행된 이후 상기 바이오층에서 반사된 신호를 감지하여 이를 적분한 후 픽셀단위로 전기적 신호의 평균값을 구하여 이를 저장하는 제2 메모리; 및
    상기 제1메모리와 제2메모리에 저장된 값을 비교하여 형광 반응에 의한 신호 값을 얻는 비교부;를 구비하되, 픽셀단위로 시간에 따른 노이즈를 제거하여 감도 특성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 필터층은
    상기 평탄화된 광 감지 센서층의 상부에 형성된 칼라필터층;
    상기 칼라필터층의 상부에 형성된 오버코팅 및 패시베이션층;
    상기 오버코팅 및 패시베이션층의 상부에 형성된 형광여기광원 대역차단 필터층; 및
    상기 형광여기광원 대역차단 필터층의 상부에 나노 단위의 산화막 또는 질화막의 박막이 적층되어 형성된 절연막층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩.
  21. 삭제
  22. 제 14 항 내지 제 16항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 광감지 센서층, 상기 필터층 및 상기 바이오층을 외부와 분리시키기 위한 분리구조물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩.
  23. 제 14 항 내지 제 16항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 댐 구조물의 재질은
    실리콘(Si), 글래스(glass), 플라스틱, 사파이어, 포토레지스트, 다이아몬드, 그래핀 또는 메탈 중에서 선택된 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩.
  24. 제 22항에 있어서,
    상기 댐구조물 또는 상기 분리구조물을 덮어서 상기 반응영역을 밀폐시키는 절연덮개(isolation cover)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩.
  25. 제 14 항에 있어서, 상기 발광소자와 금속배선층의 두께와 길이 및 광감지부의 길이는 아래의 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩.
    tanθ = tL x (WM-WL)/2
    WPS = tM / tanθ
    WP = 2WPS + WM
    여기서,
    θ는, 발광소자의 상단부와 금속배선층의 상단부 및 광감지부의 상단끝단부를 연결하는 직선과 광감지부의 상부면이 이루는 각, tL은 발광소자의 두께, tM은 금속배선층의 두께, WL은 발광소자의 길이, WM은 금속배선층의 길이, WP는 광감지부의 길이, WPS는 광감지부중 상부에 금속배선층이 형성되지 않은 부분의 길이,
  26. 제 14 항에 있어서, 상기 광감지부는
    한 종류의 크기를 갖는 단위 포토다이오드이거나 단위 포토다이오드의 정수배의 크기를 갖는 포토다이오드의 반복적인 배열을 갖는 것을 특징으로 하는 형광신호 감지특성이 개선된 바이오칩.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20030222223A1 (en) * 2002-06-03 2003-12-04 Toshihiro Kamei Solid-state detector and optical system for microchip analyzers
KR100808114B1 (ko) 2007-07-18 2008-02-29 (주)실리콘화일 진단장치 및 그 제조방법
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