KR20070059880A - 나노갭 전극을 갖는 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노갭 전극을 갖는 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로,
본 발명에 따른 센서는 소정의 두께를 갖는 산화막 층과, 상기 산화막 층의 표면에 수직한 방향으로 형성된 서로 절연 상태에 있는 제1 금속 전극 및 제2 금속 전극과, 상기 산화막 층에 평행한 방향으로 상기 제1 금속 전극에 접속된 복수 개의 제1 금속 전극 층들, 상기 산화막 층에 평행한 방향으로 상기 제2 금속 전극에 접속되고 상기 제1 금속 전극 층들 사이마다 위치하는 복수 개의 제2 금속 전극 층들 및 상기 금속 전극 층들 사이마다 위치하고 상기 금속 전극 층들의 너비보다 좁은 너비를 갖는 중간 산화 막 층들로 구성된 복수 개의 나노갭 적층 어레이와, 상기 나노갭 적층 어레이들이 서로 평행하게 소정의 간격을 갖고 배치되어 형성된 복수 개의 채널과, 상기 채널의 최상부에 형성된 비 전도성 물질로 된 커버 막과, 상기 커버 막에 형성된 검출 대상 물질의 유출입을 위한 하나 이상의 구멍을 포함한다.
상기의 구성을 통해 종래의 검출 센서에 비해 훨씬 높은 감도를 가지는 소자 제작이 가능하며, 공정이 단순하기 때문에 집적화 및 대량화가 가능하다.
나노갭, 바이오 물질

Description

나노갭 전극을 갖는 센서 및 그 제조 방법{Sensors having nano-gap electrod and their manufacturing method}
도 1a 내지 1k는 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노갭 전극을 갖는 센서의 제조 방법을 도시한 공정도,
도 2a 및 2b는 본 발명의 센서를 이용한 검출과정의 예시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 산화 막 층
20 : 제1 금속 전극 층 A1 40 : 제2 금속 전극 층 B1
60 : 제1 금속 전극 층 A2 80 : 제2 금속 전극 층 B2
30, 50, 70, 90 : 중간 산화 막 층
100 : 포토 레지스트 패턴
110, 120 : 포토 레지스트가 일부 제거된 패턴
112 : 채널
122 : 금속 전극 형성을 위한 구멍
124 : 제1 금속 전극 A 126 : 제2 금속 전극 B
130 : 금속 전극 층과 중간 산화 막 층의 순차적 적층
132 : 나노갭이 형성된 금속 전극 층과 중간 산화 막 층의 순차적 적층
134 : 금속 전극 층 136 : 중간 산화 막 층
140 : 나노갭 150 : 비 전도성 커버 막
160 : 유체의 유입과 유출을 위한 구멍
170 : 금속 전극층에 결합된 항체 180 : 검출 대상 물질
190 : 항체에 결합된 검출 대상 물질
본 발명은 나노갭 전극을 갖는 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속 전극 층과 중간 산화 막 층이 순차적으로 적층된 구조물에 형성된 수 나노미터의 나노갭(nano gap) 전극을 포함하는 센서 및 제조 방법에 관한 것이다.
그간 독자적으로 발전해왔던 IT(Information Technology) 및 NT (Nano Technology)들이 최근 몇 년간 BT (Bio Technology) 를 기반으로 새로운 발전을 시도하려는 융합화가 급속히 진행되고 있다. 현재, NT와 BT의 융합기술인 나노 바이오칩(Nano Bio-chip) 분야에서는 혈액 내 단백질과 같은 바이오 물질의 검출을 목적으로 하는 바이오 센서의 비중이 매우 크며, 새로운 NT 기술을 이용한 바이오 센서의 개발도 활발하다. 그러나, 이러한 바이오칩들을 상품화하기 위해서는 재현성이 더욱 용이하게 보장되어야 하지만, 이러한 부분에 취약성을 보여 상품화의 큰 걸림돌이 되고 있다. 특히, 바이오 물질 검출을 위한 바이오 센서는 대부분이 실험적 단계이며, 검출 감도나 재현성이 매우 낮다.
바이오 물질 검출 방식은 일반적으로 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube)를 포함한 나노 와이어(nano wire) 혹은 나노갭(nano gap)을 이용한다. 상기 나노 와이어란 나노(100만분의 1)급 제조기술을 이용해 제작된 전자부품용 도선으로서, 나노 와이어를 이용한 트랜지스터의 경우, 검출 대상 물질의 전하에 의해 나노 와이어 채널에서의 전하의 축적과 공핍이 제어되는데, 그 전하량이 많지 않으면 전류의 변화량을 감지하기 어렵다. 또한, CVD(Chemical Vapor Deposition) 방식을 통해 만들어진 나노 와이어의 집적화가 매우 어렵기 때문에 제품으로 구현하기가 상당히 힘든 기술이다.
상기 나노갭은 서로 마주보는 두 전극을 나노단위의 길이만큼 이격시킨 형태로, 상기 나노갭을 형성하기 위한 종래 기술로는 기계적 응력(mechanical stress)이나 전자이주현상(electromigration)을 이용하여 이미 형성된 금속 전극의 특정 부위를 단절시키는 방법, 또는 전자빔 리소그래피(e-beam lithography) 기술을 이용하여 수백 나노미터의 폭을 가지는 갭을 일차로 형성한 후 전기화학증착법(electrochemical deposition)으로 갭을 형성하는 두 전극의 표면에 전극물질을 추가로 증착하여 갭의 폭을 줄이는 방법 등으로 나노갭 전극소자를 제작하였다. 그러나 이러한 방법들은 공정이 복잡할 뿐 아니라 갭의 폭과 위치를 정확하게 제어하기 어렵고 재현성과 신뢰성이 떨어진다. 또한, 동일한 형상과 폭을 가지는 다수의 나노갭을 동시에 형성하는 것이 불가능하여 본 발명과 같이 바이오 물질의 검출을 위한 센서에 실제로 응용하기 어렵다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 수 나노미터의 나노갭(nano gap) 전극을 갖도록 금속 전극 층과 중간 산화 막 층이 순차적으로 적층된 구조물을 형성하고 이를 나노갭 전극을 갖는 센서에 응용함으로써, 제조 공정이 간단하고 검출 감도가 높은 나노갭 전극을 갖는 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법은 a) 소정의 두께를 갖는 산화 막 층의 상부 표면을 길이 방향과 수직 방향으로 세 영역으로 구획하여, 각각 제1 내지 제3 영역으로 특정하는 단계와, b) 상기 산화 막 층의 제1 영역과 제2 영역의 상부에 제1 금속 전극 층을 형성하고, 상기 제1 금속 전극 층의 상부에 상기 산화 막 층을 포함하도록 중간 산화 막 층을 형성하는 단계와, c) 상기 산화 막 층의 제1 영역과 제3 영역의 상부에 제2 금속 전극 층을 형성하고, 상기 제2 금속 전극 층의 상부에 상기 산화 막 층을 포함하도록 중간 산화 막 층을 형성하는 단계와, d) 상기 단계(b 및 c)들을 반복적으로 수행하여 복수의 금속 전극 층 및 중간 산화 막 층을 적층하는 단계와, e) 상기 제1 영역에 형성된 상기 복수의 제1 및 제2 금속 전극 층과 중간 산화막 층을 상기 최하부의 금속 전극 층까지 관통하도록 식각하여 형성되는 채널을 복수 개 형성하는 단계와, h) 상기 형성된 채널 내부의 상기 중간 산화 막 층들을 일부 식각하여 상기 제1 및 제2 금속 전극 층 사이에 나노갭을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 채널을 형성하는 단계는 상기 제1 영역 상에 산화 막 층의 길이 방향과 평행한 복수 개의 채널이 형성될 부분과 상기 제2 및 제3 영역 상에 제1 및 제2 금속 전극이 형성될 부분을 포함하는 마스크를 준비하는 단계와, 상기 마스크를 통해 상기 제1 또는 제2 금속 전극 층을 식각하는 단계와, 상기 마스크를 통해 상기 중간 산화 막 층을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 채널의 최상부에 비 전도성 물질로 된 커버 막을 형성하고, 상기 커버 막에 검출 대상 물질의 유출입을 위한 하나 이상의 구멍을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 나노갭 전극을 갖는 센서는 소정의 두께를 갖는 산화막 층과, 상기 산화막 층의 표면에 수직한 방향으로 형성된 서로 절연 상태에 있는 제1 금속 전극 및 제2 금속 전극과, 상기 산화막 층에 평행한 방향으로 상기 제1 금속 전극에 접속된 복수 개의 제1 금속 전극 층들, 상기 산화막 층에 평행한 방향으로 상기 제2 금속 전극에 접속되고 상기 제1 금속 전극 층들 사이마다 위치하는 복수 개의 제2 금속 전극 층들 및 상기 금속 전극 층들 사이마다 위치하고 상기 금속 전극 층들의 너비보다 좁은 너비를 갖는 중간 산화 막 층들로 구성된 복수 개의 나노갭 적층 어레이와, 상기 나노갭 적층 어레이들이 서로 평행하게 소정의 간격을 갖고 배치되어 형성된 복수 개의 채널과, 상기 채널의 최상부에 형성된 비 전도성 물질로 된 커버 막과, 상기 커버 막에 형성된 검출 대상 물질의 유출입을 위한 하나 이상의 구멍을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1a 내지 1k는 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노갭 전극을 갖는 센서의 제조 방법을 도시한 공정도이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명이 실시될 산화 막 층(10)을 준비하여, 상기 산화 막 층(10)의 상부 표면을 길이방향과 수직방향으로 세 영역으로 구획한다. 이때, 상기 세 영역 중 중앙에 있는 영역을 제1 영역, 상기 제1 영역의 좌, 우측을 각각 제2, 제3 영역으로 가상으로 지정할 수 있다. 또한, 제2 영역과 제3영역은 같은 너비를 갖도록 구획할 수 있다.
한편, 상기 산화 막 층(10)으로는 SiO2 또는 질화막층과 같은 비 전도성 물질을 사용한다.
도 1b를 참조하면, 상기 산화 막 층(10)의 상부에 제1 금속 전극 층 A1(20)을 소정 영역에 형성한 후, 그 상부에 중간 산화 막 층(30)을 형성한다.
상기 제1 금속 전극 층 A1(20)은 상기 산화 막 층(10)의 제1 영역과 제2 영역만을 포함하도록 형성한다. 상기 금속 전극 층으로는 일반적으로 금(Au)을 많이 사용하지만, 그 밖에 알루미늄(Al) 또는 텅스텐(W)과 같은 특정 목적을 위한 항체 를 붙일 수 있는 물질도 사용할 수 있다. 상기 금속 전극 층의 두께는 대략 20~30nm 정도로 형성하는데, 이는 너무 두꺼울 경우 식각하기가 어려워지며, 너무 얇으면 저항이 증가하게 되므로 이를 고려하여 결정한다. 또한, 검출 대상 물질의 크기를 고려하는바 이에 대해서는 다시 설명할 것이다.
한편, 상기 중간 산화 막 층(30)은 상기 산화 막 층(10)의 제1 내지 제3 영역을 모두 포함하도록 형성한다. 상기 중간 산화 막 층(30)으로는 SiO2, SiN(Si3N4) 또는 실리콘나이트라이드등을 사용할 수 있다. 상기 중간 산화 막 층(30)의 두께는 상기 나노갭을 결정하는 매우 중요한 변수로서 일반적으로 CVD 방식을 통해 매우 얇은 두께까지 조절이 가능하다. 상기 중간 산화 막 층(30)의 두께는 수십 nm 정도이며, 바람직하게는 5~15nm 인 값을 갖도록 한다.
이해를 돕기 위하여, 상기 금속 전극 층과 중간 산화 막 층의 두께에 대해 도 2a 및 2b 를 참조하여 설명하기로 한다.
도 2a는 본 발명의 제조 방법을 통해 완성된 나노갭 전극을 갖는 센서에 특정 항체(170)가 부착된 모습을 도시한 도면이며, 도 2b는 상기 특정 항체(170)에 검출하고자 하는 특정 항원(190)이 부착된 모습을 도시한 도면이다.
본 발명은 상기 특정 항체(170)와 특정 항원(190) 간의 항원-항체 반응을 이용하여, 도 2b와 같이 제1 및 제2 금속 전극 층(134)에 부착된 특정 항체(170)들 사이에 특정 항원(190)이 결합하면 제1 및 제2 금속 전극 층(134)들에 전류가 흐르 게 되어 특정 항원(190) 물질을 검출할 수 있게 된다. 이때, 통상적인 항원과 항체의 길이는 대체로 5~6nm 의 길이를 가지며, 상기 항원-항체 반응은 서로 다른 종류의 금속 전극 층, 즉 인접하는 제1 및 제2 금속 전극 층 사이에서 일어나야만 상기 항원(190) 물질의 검출이 발생하므로, 하나의 금속 전극 층에 많은 수의 항체를 결합할 필요가 없다. 따라서, 금속 전극 층의 두께는 3~4개 정도의 항체가 결합할 수 있는 구성을 갖도록 함이 적당하므로 상기 금속 전극 층에 결합될 항체의 크기와 항체 간의 간격을 고려할 때 20~30nm의 두께를 갖도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 중간 산화 막 층(30, 136)의 두께, 즉 상기 금속 전극 층 사이의 간격은 적절한 항원-항체 반응이 일어날 수 있도록 상기 항원 또는 항체 길이의 두 세배에 해당하는 5~15nm의 길이를 갖도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 서로 다른 종류의 항원-항체 반응이 일어나게 할 경우, 항원-항체의 크기가 다를 수 있으므로 그 크기에 따라 다양한 항체의 검출이 가능하도록 상기 중간 산화 막 층(30)의 두께를 서로 다르게 형성할 수도 있다.
도 1c를 참조하면, 상기 산화 막 층(10)의 상부에 제2 금속 전극 층 B1(40)을 소정 영역에 형성한 후, 그 상부에 중간 산화 막 층(50)을 형성한다.
상기 제2 금속 전극 층 B1(40)은 상기 산화 막 층(10)의 제1 영역과 제3 영역만을 포함하도록 형성한다. 상기 제2 금속 전극 층 B1(40)은 상기 제1 금속 전극 층 A1(20)과 형성되는 영역이 다를 뿐, 그 물성이나 두께는 같게 한다. 이때, 상기 제2 영역과 제3 영역이 상기 제1 영역의 가운데를 기준으로 같은 너비를 갖도록 할 경우, 상기 제1 금속 전극 층A1(20)과 제2 금속 전극 층B1(40)은 가운데를 기준으로 대칭구조를 갖게 된다.
한편, 상기 중간 산화 막 층(50)은 상기 산화 막 층(10)의 제1 내지 제3 영역을 모두 포함하도록 형성하며, 먼저 형성된 상기 중간 산화 막 층(30)과 같은 물질을 사용하되, 그 두께는 다르게 형성할 수 있음은 앞에서 설명한 바와 같다.
도 1d를 참조하면, 도 1b와 도 1c의 공정을 순차적으로 반복한다.
상기 형성된 중간 산화 막 층(50) 상부에 상기 산화 막 층(10)의 제1 영역과 제2 영역만을 포함하도록 제1 금속 전극 층 A2(60)를 도 1b에서와 같은 방식으로 형성하고, 상기 형성된 제1 금속 전극 층 A2(60)의 상부에 상기 산화 막 층(10)의 제1 내지 제3 영역을 모두 포함하도록 중간 산화 막 층(70)을 형성한다. 또한, 상기 형성된 중간 산화 막 층(70)의 상부에, 상기 산화 막 층(10)의 제1 영역과 제3 영역만을 포함하도록 제2 금속 전극 층 B2(80)를 도 1c에서와 같은 방식으로 형성하고, 상기 형성된 제2 금속 전극 층 B2(80)의 상부에 상기 산화 막 층(10)의 제1 내지 제3 영역을 모두 포함하도록 중간 산화 막 층(90)을 형성한다.
상기와 같은 공정을 수회 반복하며, 공정에 따라 최종적으로 형성되는 금속 전극 층의 상부에는 중간 산화 막 층을 형성하지 않을 수 있다.
상기와 같은 공정을 최소 5회 이상 실시하여, 상기 제1 및 제2 금속 전극 층이 각각 5층 이상 형성되도록 한다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 금속 전극 층의 두께를 30nm로 하고 상기 중간 산화 막 층의 두께를 15nm로 했을 때, 상기 제1 및 제2 금속 전극 층을 각각 5층으로 형성시키면, {(30+15)×5}×2 = 450nm ( 만약, 최상부에 중간 산화 막 층을 형성하지 않는다면 435nm) 정도의 두께를 갖게 된다. 상기 두께는 이후 형성될 채널의 깊이가 되며, 이는 항원-항체 반응을 일으킬 유체가 흘러 지나가는 유로가 되므로, 상기 항원-항체 반응을 원활하게 일으키고, 검출 감도를 높이기 위해서는 이론적으로 적층회수가 높을수록 좋다. 그러나, 이는 제작하고자 하는 검출 센서의 규격, 상기 센서의 집적률의 정도를 파악해서 설계단계에서 결정할 변수이다.
바람직하게는, 상기 센서의 집적 효율 및 센서의 검출 감도를 고려해서 상기 제1 및 제2 금속 전극 층이 각각 5층 이상 형성되도록 한다.
도 1e를 참조하면, 유체가 흘러갈 수 있는 채널과 상기 각 금속 전극 층을 도선으로 연결한 금속 전극을 형성하기 위해 도 1d의 공정을 거친 구조물의 상부에 형성시킨 포토 레지스트 패턴(100)의 평면도로서, 상기 산화막층(10)의 상부에 구획했던 제1,2,3 영역이 도시되어 있음을 볼 수 있다. 상기 제1 영역에는 검출 대상 물질의 센싱을 위한 채널이 형성될 부분(110)의 패턴을 형성하고 제2 및 제3 영역에는 금속 전극이 될 부분(120)의 패턴을 형성한다.
바람직하게, 상기 각 채널의 너비는 포토 리소그래피를 통해 패턴의 형성이 가능한 1~2㎛ 정도로 형성하며, 각 채널 사이의 간격도 동일하게 1~2㎛ 정도로 형성할 수 있다. 상기 채널의 개수는 상기 산화 막 층(10)의 너비와 채널의 폭 및 채널 사이의 간격을 고려하여 최대한 많이 형성하도록 한다. 이는 채널의 개수가 증 가할수록 상기 유체의 접촉 면적이 넓어져 항원-항체 반응이 원활하게 일어날 수 있기 때문이다.
도 1f를 참조하면, 상기 형성된 포토 레지스트 패턴(100)을 마스크로 하여, 식각 공정을 통해 채널(112) 및 금속 전극 형성을 위한 구멍(122)을 형성한다.
상기 식각 공정으로는 RIE (Reactive Ion Etching), MERIE (Magnetically Enhanced RIE), ICP (Inductively Coupled Plasma), TCP (Transformer Coupled Plasma) 또는 ECR (Electron Cyclotron Resonance) 등의 건식 식각 공정을 사용하며, 상기 제1 및 제2 금속 전극 층과 중간 산화 막 층을 번갈아가며 식각 공정을 수행하거나, 한꺼번에 식각되도록 식각 공정을 수행할 수도 있다.
상기 금속 전극 층의 식각 가스로는 Cl2-BCl3 , Cl2-NF3 가스를 사용하며, 산화막 층은 CF4 가스를 사용하여 한다. 상기 금속 전극 층이 금(Au)인 경우에는 상기 건식 식각 공정외에 아르곤(Ar) 이온을 가속시켜 스퍼터링(sputtering)하는 식각공정을 사용할 수 있다.
한편, 상기 금속 전극 층의 식각 가스로 식각 공정을 진행할 경우 산화막 식각도 부분적으로 일어나기 때문에 상기 금속 전극 층의 식각에 사용되는 가스를 그대로 이용하여 연속적으로 상기 중간 산화막 층을 식각할 수 있다.
상기 식각 공정을 통해 상기 채널(112) 및 금속 전극형성을 위한 구멍(122) 이 동시에 형성된다. 식각 공정후 상기 포토 레지스트 패턴(100)을 제거한 최상부 표면(102)이 도시되어 있다.
상기 공정의 결과는 도 1g에 도시된 상기 산화 막 층(10)의 단면도를 통해 살펴볼 수 있다. 상기 단면도 1g는 도 1f에 도시된 I-I' 방향의 단면을 도시한 도면이다.
도 1g를 참조하면, 상기 산화 막 층(10)의 상부에 상기 금속 전극 층과 중간산화 막 층이 여러 번 순차적으로 적층된 구조물(130)과 유체가 흐를 수 있도록 형성된 채널(112)을 볼 수 있다.
도 1h를 참조하면, 도 1f의 공정을 통해 형성된 채널의 상기 중간 산화 막 층에 식각 공정을 통해 나노갭(140)을 형성한다.
상기 나노갭은 상기 중간 산화 막 층의 식각공정을 통해 상기 금속 전극 층의 너비에 비해 상기 중간 산화 막 층의 너비를 축소시켜 형성하며, 상기 식각 공정을 통해 금속 전극 층 사이에 이격된 거리를 나노갭이라 한다.
본 발명에서는 상기 나노갭(140)의 크기가 상기 중간 산화 막 층의 두께와 같으므로, 수십nm 정도일 수 있으며, 바람직하게는 5~15nm 정도의 규격을 갖도록 한다. 한편, 상기 나노갭(140)의 크기는 항체의 크기와 검출 대상 물질의 크기를 고려하여 설계 단계에서 결정할 수 있다..
상기 식각 공정으로는 BOE(Buffered Oxide Etch) 용액을 사용한 식각 공정을 선택할 수 있으며, 산화 막의 에칭 시간의 조절을 용이하게 하고, 금속물질의 산화 를 막기 위해 가능하면 많이 희석하여 사용하도록 한다.
참고로, 상기 BOE 용액은 NH4F(Amonium Fluoriede) 와 HF(Hydrofluoric Acid) 가 혼합된 물질로, 상기 HF는 산화 막 등의 식각에 직접 관여하며 NH4F는 식각 비율을 조정하여 균일성을 좋게 하는 완충용액의 역할을 한다. 상기 BOE는 웨이퍼 표면의 유기물 제거 등 세정 물질로 사용되며 금속 식각 용액의 일부가 되기도 한다.
도 1i를 참조하면, 상기 채널과 동시에 형성된 금속 전극 형성을 위한 구멍(122)에 금속을 증착함으로써 상기 제1 금속 전극 층 A1, A2,..., An 과 제2 금속 전극 층 B1, B2,..., Bn을 각각 함께 연결하여 제1 금속 전극 A(124) 및 제2 금속 전극 B(126)를 형성한다. 이때 상기 금속 전극을 형성하기 위한 금속 증착은 스퍼터(Sputter)와 같이 등방성 증착을 할 수 있는 장치를 이용하여 증착한다. 따라서, 금속 전극이 형성되면, 상기 제1 금속 전극 층들은 상기 제1 금속 전극 A(124)에, 상기 제2 금속 전극 층들은 상기 제2 금속 전극 B(126)에 각각 연결된다.
도 1j 및 1k는 본 발명에 따른 나노갭 전극을 갖는 센서의 제조 방법 중 마지막 단계를 도시한 도면임과 동시에, 본 발명의 나노갭 전극을 갖는 센서를 도시한 도면이다.
도 1j 및 1k를 참조하면, 상기 형성된 채널(112)을 통해 유체의 흐름을 만들 기 위해 상기 형성된 채널(112)의 최상부에 커버 막(150)을 형성한다.
상기 커버 막(150)으로는 비 전도성 물질로서 패턴 형성이 가능한 물질을 사용하며, 바람직하게는 PDMS (polydimethylsiloxane) 또는 아크릴판 등을 사용할 수 있다.
상기 커버 막(150)은 도 1k에 도시된 바와 같이 상기 검출 대상 물질이 포함된 유체의 유입과 유출을 위해 하나 이상의 구멍(160)을 가지고 있는데, 상기 구멍의 크기는 상기 산화 막 층(10)의 너비에 따라 결정된다. 상기 구멍(160)은 유체의 유출입을 위한 것으로, 구멍의 개수는 설계자의 의도에 따라 가변적임은 당업자로서 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 1k는 본 발명의 나노갭 전극을 갖는 센서의 제조가 마무리된 모습이다.
한편, 나노갭 전극을 갖는 센서의 측면에서 도 1j 및 1k를 살펴보면, 소정의 두께를 갖는 산화막 층(10)과, 상기 산화막 층(10)의 표면에 수직한 방향으로 형성된 서로 절연 상태에 있는 제1 금속 전극(124) 및 제2 금속 전극(126)과, 상기 산화막 층(10)에 평행한 방향으로 상기 제1 금속 전극(124)에 접속된 복수 개의 제1 금속 전극 층들, 상기 산화막 층(10)에 평행한 방향으로 상기 제2 금속 전극(126)에 접속되고 상기 제1 금속 전극 층들 사이마다 위치하는 복수 개의 제2 금속 전극 층들 및 상기 금속 전극 층들 사이마다 위치하고 상기 금속 전극 층들의 너비보다 좁은 너비를 갖는 중간 산화 막 층들로 구성된 복수 개의 나노갭 적층 어레이(132)와, 상기 나노갭 적층 어레이들이 서로 평행하게 소정의 간격을 갖고 배치되어 형 성된 복수 개의 채널과, 상기 채널의 최상부에 형성된 비 전도성 물질로 된 커버 막(150)과, 상기 커버 막(150)에 형성된 검출 대상 물질의 유출입을 위한 하나 이상의 구멍(160)을 포함하고 있음을 알 수 있다.
도 2a 및 2b는 상기 완성된 나노갭 전극을 갖는 센서를 통한 상기 바이오 물질 검출 동작을 도시한 도면이다.
도 2a를 참조하면, 상기 센서가 바이오 센서로 이용될 경우의 한 예로서, 바이오 물질의 검출을 위해 상기 금속 전극 위에 특정 항체(170)를 결합시킨다.
다음으로, 도 2b와 같이 금속 전극 위에 항체(170)가 붙어 있는 센서에 단백질 혹은 DNA와 같은 검출 대상 물질(180)이 들어 있는 용액을 흘려 보낸다. 항원-항체 반응을 통해 상기 특정 항체(170)와 반응하여 결합하는 검출 대상 물질(180)이 있을 수 있으며, 특히 상기 중간 산화 막 층 사이에 있는 항체와 결합한 검출 대상 물질(180)은 두 금속 전극 사이에서 전류가 흐르도록 하고, 이렇게 흐르는 전류량을 기준 값과 비교하여 상기 검출 대상 물질(180)의 존재 여부를 확인하게 된다.
상기와 같은 원리로 검출 대상 물질의 존재 여부를 확인하게 되며, 상기 용액과 상기 센서와의 접촉 면적에 따라 검출 감도가 달라지므로 채널의 길이, 채널의 개수 또는 적층되는 층의 개수를 변화시키면 센서의 검출 감도를 변화시킬 수 있다.
본 발명에서 제시한 나노갭 전극을 갖는 센서의 경우, 공정이 간단하고, 나노갭 조절이 용이하다는 특징이 있다. 또한, 금속 전극 층 사이에 형성된 나노갭이 여러 층 형성되어 있고, 유체가 상기 형성된 나노갭들을 통해 흘러가기 때문에 매우 높은 감도를 가지는 검출 센서를 구현할 수 있다. 따라서, 종래의 검출 센서에 비해 훨씬 높은 감도를 가지는 소자 제작이 가능하며, 공정이 단순하기 때문에 집적화 및 대량화가 가능하다.

Claims (32)

  1. a) 소정의 두께를 갖는 산화 막 층의 상부 표면을 길이 방향과 수직 방향으로 세 영역으로 구획하여, 각각 제1 내지 제3 영역으로 특정하는 단계와,
    b) 상기 산화 막 층의 제1 영역과 제2 영역의 상부에 제1 금속 전극 층을 형성하고, 상기 제1 금속 전극 층의 상부에 상기 산화 막 층을 포함하도록 중간 산화 막 층을 형성하는 단계와,
    c) 상기 산화 막 층의 제1 영역과 제3 영역의 상부에 제2 금속 전극 층을 형성하고, 상기 제2 금속 전극 층의 상부에 상기 산화 막 층을 포함하도록 중간 산화 막 층을 형성하는 단계와,
    d) 상기 단계(b 및 c)들을 반복적으로 수행하여 복수의 금속 전극 층 및 중간 산화 막 층을 적층하는 단계와,
    e) 상기 제1 영역에 형성된 상기 복수의 제1 및 제2 금속 전극 층과 중간 산화막 층을 상기 최하부의 금속 전극 층까지 관통하도록 식각하여 형성되는 채널을 복수 개 형성하는 단계와,
    h) 상기 형성된 채널 내부의 상기 중간 산화 막 층들을 일부 식각하여 상기 제1 및 제2 금속 전극 층 사이에 나노갭을 형성하는 단계
    를 포함하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 영역을 특정하는 단계는 상기 세 영역 중 중앙에 있는 영역을 제1 영역, 상기 제1 영역의 좌, 우측에 있는 영역을 각각 제2, 3 영역으로 특정하는 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 영역 및 제3 영역은 같은 너비를 갖도록 구획하는 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 금속 전극 층은 금(Au), 알루미늄(Al) 또는 텅스텐(W)인 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 금속 전극 층의 두께는 20~30nm인 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 중간 산화 막 층의 두께는 5~15nm 인 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 중간 산화 막 층들의 두께는 각각 상이하도록 형성하는 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 중간 산화 막 층들은 SiO2, Si3N4 또는 실리콘나이트라 이드인 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층은 각각 5층 이상 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 채널을 형성하는 단계는
    상기 제1 영역 상에 산화 막 층의 길이 방향과 평행한 복수 개의 채널이 형성될 부분과 상기 제2 및 제3 영역 상에 제1 및 제2 금속 전극이 형성될 부분을 포함하는 마스크를 준비하는 단계와,
    상기 마스크를 통해 상기 제1 또는 제2 금속 전극 층을 식각하는 단계와,
    상기 마스크를 통해 상기 중간 산화 막 층을 식각하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 복수 개의 채널이 형성될 부분을 포함하는 마스크를 준비하는 단계는
    상기 채널의 길이를 상기 제1 영역의 길이보다 작게 특정하는 단계와,
    상기 채널의 너비를 1~2㎛로 특정하는 단계와,
    상기 채널간의 간격을 1~2㎛로 특정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제1 및 제2 금속 전극 층 또는 산화막 층을 식각하는 단계는 RIE (Reactive Ion Etching), MERIE (Magnetically Enhanced RIE), ICP (Inductively Coupled Plasma), TCP (Transformer Coupled Plasma) 또는 ECR (Electron Cyclotron Resonance) 등의 건식 식각 공정을 사용하는 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 및 제2 금속 전극 층을 식각하는 단계는 Cl2-BCl3 가스 또는 Cl2-NF3 가스를 사용하여 식각하는 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 금속 전극 층이 금(Au)인 경우에는 아르곤(Ar) 이온을 가속시켜 스퍼터링(sputtering)하는 식각공정을 사용하는 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 중간 산화막 층을 식각하는 단계는 CF4 가스를 사용하여 식각하는 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 중간 산화막 층을 식각하는 단계는 상기 제1 및 제2 금속 전극 층을 식각하는데 사용되는 공정 및 식각 가스를 동일하게 사용하는 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  17. 제10항에 있어서, 상기 채널 형성 단계를 통해 형성된 제1 및 제2 금속 전극용 구멍에 각각 금속 물질을 증착하여 제1 및 제2 금속 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 금속 전극 층의 증착은 스퍼터(Sputter) 장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 중간 산화 막 층을 일부 식각하는 단계는 BOE(Buffered Oxide Etch) 용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 나노갭의 간격은 5~15nm 인 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 채널의 최상부에 비 전도성 물질로 된 커버 막을 형성하고, 상기 커버 막에 검출 대상 물질의 유출입을 위한 하나 이상의 구멍을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 커버 막으로 PDMS (polydimethylsiloxane) 또는 아크릴판을 사용하는 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서 제조 방법.
  23. 소정의 두께를 갖는 산화막 층과,
    상기 산화막 층의 표면에 수직한 방향으로 형성된 서로 절연 상태에 있는 제1 금속 전극 및 제2 금속 전극과,
    상기 산화막 층에 평행한 방향으로 상기 제1 금속 전극에 접속된 복수 개의 제1 금속 전극 층들, 상기 산화막 층에 평행한 방향으로 상기 제2 금속 전극에 접속되고 상기 제1 금속 전극 층들 사이마다 위치하는 복수 개의 제2 금속 전극 층들 및 상기 금속 전극 층들 사이마다 위치하고 상기 금속 전극 층들의 너비보다 좁은 너비를 갖는 중간 산화 막 층들로 구성된 복수 개의 나노갭 적층 어레이와,
    상기 나노갭 적층 어레이들이 서로 평행하게 소정의 간격을 갖고 배치되어 형성된 복수 개의 채널과,
    상기 채널의 최상부에 형성된 비 전도성 물질로 된 커버 막과,
    상기 커버 막에 형성된 검출 대상 물질의 유출입을 위한 하나 이상의 구멍
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제1 및 제2 금속 전극 층은 금(Au), 알루미늄(Al) 또는 텅스텐(W)인 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서.
  25. 제23항에 있어서, 상기 제1 및 제2 금속 전극 층의 두께는 20~30nm 인 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서.
  26. 제23항에 있어서, 상기 중간 산화 막 층의 두께는 5~15nm 인 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서.
  27. 제23항에 있어서, 상기 중간 산화 막 층들의 두께는 각각 동일하지 않은 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서.
  28. 제23항에 있어서, 상기 중간 산화 막 층들은 SiO2, Si3N4 또는 실리콘나이트라이드인 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서.
  29. 제23항에 있어서, 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층은 각각 5층 이상 형성된 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서.
  30. 제23항에 있어서, 상기 채널의 너비는 1~2㎛이며, 상기 채널간의 간격은 1~2㎛인 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서.
  31. 제23항에 있어서, 상기 나노갭의 간격은 5~15nm 인 것을 특징으로 하는 나노 갭 전극을 갖는 센서.
  32. 제23항에 있어서, 상기 커버 막으로 PDMS (polydimethylsiloxane) 또는 아크릴판을 사용하는 것을 특징으로 하는 나노갭 전극을 갖는 센서.
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