KR20110117282A - Manufacturing method for flexible biosensor and sensing method using the same - Google Patents
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Abstract
레이저를 이용한 플렉서블 바이오센서 및 이를 이용한 검출방법이 제공된다.
본 발명에 따른 플렉서블 바이오센서는 플렉서블 하부 기판;
상기 플렉서블 하부 기판의 상부에 적층되며, 제 1형 불순물이 도핑된 소스 및 드레인 영역이 소정 간격으로 이격되어 형성된 실리콘 기판; 및 상기 실리콘 기판에 적층된 소스, 드레인 및 게이트 전극을 포함하며, 여기에서 상기 게이트 전극에는 생물학적 활성 물질을 검출하는 검출 물질이 고정화되며, 상기 실리콘 기판은 레이저에 의하여 결정화된 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 바이오센서는 플렉서블 기판상에 직접 구현되므로, 실리콘 기판에서 소자 기판을 제조한 후, 플렉서블 기판으로 전사시키는 종래 기술에 비하여 경제성이 우수하다.Provided are a flexible biosensor using a laser and a detection method using the same.
Flexible biosensor according to the present invention is a flexible lower substrate;
A silicon substrate stacked on the flexible lower substrate and formed with source and drain regions doped with first type impurities separated by predetermined intervals; And a source, a drain, and a gate electrode stacked on the silicon substrate, wherein a detection material for detecting a biologically active material is immobilized on the gate electrode, and the silicon substrate is crystallized by a laser. Since the biosensor according to the present invention is directly implemented on the flexible substrate, the device is manufactured on a silicon substrate, and then, compared to the conventional technology of transferring the device substrate to the flexible substrate, the economy is excellent.
Description
본 발명은 레이저를 이용한 플렉서블 바이오센서 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 바이오센서 및 이를 이용한 검출방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 종래의 실리콘 기판상에 구현된 바이오센서가 가지는 기판의 한계를 효과적으로 극복할 수 있으며, 제조방법이 경제적인 레이저를 이용한 플렉서블 바이오센서 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 바이오센서 및 이를 이용한 검출방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a flexible biosensor using a laser, a flexible biosensor manufactured by the same, and a detection method using the same. More specifically, the present invention can effectively overcome the limitations of a substrate having a biosensor implemented on a conventional silicon substrate. The present invention relates to a method of manufacturing a flexible biosensor using an economical laser, a flexible biosensor manufactured by the same, and a detection method using the same.
인간을 포함한 생물 개체들은 많은 감각기관을 가지고 있어서 오감은 물론 아픔이나 물론 아픔이나 온도감지 등 외부에서 오는 여러 가지 자극을 감지한다. 이렇게 감지된 자극은 뇌에서 이미 경험에 의하여 교육된 자극자료와 비교함으로써 미묘한 맛이나 향의 변화 등을 인지하게 된다. 이러한 기능을 생명체에서는 감각기관이라고 하고, 기계나 기구에서는 센서라고 한다. 생물기능을 모사하여 전자 공학을 응용함으로써 외부로부터 받은 물리화학적 자극을 감지할 수 있는 생명소자를 보통 바이오센서라 한다. Organisms, including humans, have many sensory organs that sense not only the five senses but also various stimuli from the outside, such as pain or, of course, pain or temperature sensing. This sensed stimulus is compared to the stimulus data already educated by experience in the brain to recognize subtle tastes and flavor changes. These functions are called sensory organs in living things, and sensors in machines and instruments. Biosensors that can detect physicochemical stimuli from the outside by applying electronics to simulate biological functions are commonly called biosensors.
하지만, 종래의 바이오센서는 실리콘 기판과 같이 딱딱한 기판상에 형성된 마이크로어쎄이 또는 마이크로플루이딕채널(microfluidic, 이하 미세유체 채널이라 한다) 상에서 제조되므로, 다양한 구조를 가지기 어려웠다. 이러한 기판의 한계를 극복하기 위하여 Lieber 등은 기판 상에서 촉매를 이용하여 실리콘 나노와이어를 성장시키는, 이른바 바텀-업(bottome-up) 방식의 센싱 소자 제조방법을 개시한다. 하지만 이러한 바텀-업 방식의 센싱소자는 나노와이어를 기판상에 직접 성장시켜야하므로, 전체적인 반도체 소자의 성능이 떨어지고, 또한 균질성이 떨어진다는 문제가 있다 (Nature Biotechnology vol. 23, 1294, 2005). However, conventional biosensors are difficult to have various structures because they are fabricated on a microarray or microfluidic channel (hereinafter referred to as a microfluidic channel) formed on a rigid substrate such as a silicon substrate. In order to overcome the limitations of such a substrate, Lieber et al. Disclose a so-called bottom-up sensing device manufacturing method for growing silicon nanowires using a catalyst on a substrate. However, since the bottom-up sensing device must grow nanowires directly on the substrate, there is a problem that the performance of the overall semiconductor device is degraded and the homogeneity is poor (Nature Biotechnology vol. 23, 1294, 2005).
상기 바텀-업 방식의 센싱소자 제조방법의 단점을 해결하고자, McAlpine 등은 마이크로구조-반도체(Microstructure Semiconductor, μ-Sc)기술을 이용한 탑-다운(top-down)방식으로, 플라스틱 기판상의 나노와이어를 이용하는 화학 센서를 개시한다(Nature Materials, Vol6, May 2007, 이하 종래기술). 하지만, 상기 종래기술은 기체의 일정 성분을 검출하는 기술에 관한 것으로서, 물과 같은 용매에 의하여 이루어지는 바이오센서에는 바로 적용하기는 어렵고, 또한, 복수 종류의 물질을 검출하고자 하는 경우 복수 개의 센서를 제조하여야 한다는 문제가 있다. In order to solve the disadvantage of the bottom-up sensing device manufacturing method, McAlpine et al. Is a top-down method using a microstructure semiconductor (μ-Sc) technology, nanowires on a plastic substrate Disclosed is a chemical sensor using (Nature Materials,
따라서, 플렉서블 기판상에 구현되며, 복수 종류의 검출물질을 고성능 반도체를 이용하여 매우 효과적으로 센싱할 수 있는 새로운 개념의 플렉서블 고감도 바이오센서, 특히 반도체 센서는 아직까지 구현되지 않았다. 특히 반도체 제조공정의 극심한 조건과 플렉서블 기판(일반적으로 고분자 재질) 및 바이오 물질의 약한 내열성, 내화학 특징 등은 아직까지 양립하기 어려운 것으로 고려되었으며, 그 결과 플렉서블 기판상에 구현된 바이오센서, 특히 반도체를 이용하는 바이오센서는 아직까지 개시되지 못한 실정이다.Accordingly, a new concept of a flexible high-sensitivity biosensor, particularly a semiconductor sensor, implemented on a flexible substrate and capable of sensing a plurality of types of detection materials very effectively using a high performance semiconductor has not yet been implemented. In particular, the extreme conditions of the semiconductor manufacturing process and the weak heat resistance and chemical characteristics of the flexible substrate (generally polymer material) and the biomaterial are considered to be incompatible, and as a result, the biosensors, particularly semiconductors, implemented on the flexible substrate Biosensor using the situation is not yet disclosed.
더 나아가, 다양한 금속을 이용하는 바이오센서의 경우 칩 전극에 생물학적 활성물질(단백질, 펩티드)을 고정화시키기 위한 화학적 전처리 공정이 요구된다. 하지만, 상기 방법은 복잡하고 비특이적인 단백질과 결합 등의 큰 단점을 가지고 있으며, 결합력이 약할 뿐만 아니라 많은 화학물질에 영향을 받을 수 있기 때문에 여러 단백질-단백질 상호작용 검사 시에는 제한점이 많아 실용화가 어렵다. 더 나아가, 이러한 화학 공정을 플라스틱과 같은 플렉서블 기판에서 수행하는 경우 기판 자체에도 나쁜 영향을 줄 수 있다.
Furthermore, biosensors using various metals require chemical pretreatment processes to immobilize biologically active materials (proteins, peptides) on chip electrodes. However, the method has a big disadvantage such as complex and non-specific protein binding, and because it is not only a weak binding force, but also can be affected by many chemicals, there are many limitations when testing various protein-protein interactions, making it difficult to apply. . Furthermore, when this chemical process is performed on a flexible substrate such as plastic, it may adversely affect the substrate itself.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 생물학적 활성물질간의 특이적 결합에 따라 효과적인 바이오 물질 검출이 가능하며, 기판의 가요성으로 인하여 그 응용성이 높은 새로운 개념의 플렉서블 바이오센서 및 이를 이용한 검출방법을 제공하는 것이다.Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to detect the effective bio-materials according to the specific binding between biologically active substances, and due to the flexibility of the substrate, a new concept flexible biosensor and a detection method using the same To provide.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 바이오 활성물질의 특이적 결합에 따라 효과적인 바이오 물질 검출이 가능하며, 기판의 가요성으로 인하여 그 응용성이 높은 새로운 개념의 플렉서블 바이오센서의 효과적이고, 경제적인 제조방법을 제공하는 것이다.Another problem to be solved by the present invention is effective bio-material detection according to the specific binding of the bio-active material, and due to the flexibility of the substrate effective and economical of a new concept flexible biosensor with high applicability It is to provide a manufacturing method.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 플렉서블 하부 기판; 상기 플렉서블 하부 기판의 상부에 적층되며, 제 1형 불순물이 도핑된 소스 및 드레인 영역이 소정 간격으로 이격되어 형성된 실리콘 기판; 및 상기 실리콘 기판에 적층된 소스, 드레인 및 게이트 전극을 포함하며, 여기에서 상기 게이트 전극에는 생물학적 활성 물질을 검출하는 검출 물질이 고정화되며, 상기 실리콘 기판은 레이저에 의하여 결정화된 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오센서를 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention is a flexible lower substrate; A silicon substrate stacked on the flexible lower substrate and formed with source and drain regions doped with first type impurities separated by predetermined intervals; And a source, a drain, and a gate electrode stacked on the silicon substrate, wherein a detection material for detecting a biologically active material is immobilized on the gate electrode, and the silicon substrate is crystallized by a laser. Provide a sensor.
본 발명은 또한 플렉서블 하부 기판; 상기 플렉서블 하부 기판의 상부에 접촉하며, 소스 및 드레인 영역이 소정 간격으로 이격되어 형성된 실리콘 상부 기판; 상기 소스 및 드레인 영역 사이의 실리콘 기판을 지나는 미세유체 채널을 포함하며, 여기에서 상기 소스 및 드레인 영역 사이의 실리콘 기판에 생물학적 활성 물질을 검출하기 위한 검출 물질이 고정화되며, 상기 실리콘 기판은 레이저에 의하여 결정화된 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오센서를 제공한다. 상기 소스 및 드레인 영역은, 상기 실리콘 기판에 적층되며, 제 1형 불순물이 도핑된 도핑층을 상기 레이저로 조사하여 제 1형 불순물을 상기 실리콘 기판으로 확산되는 방식으로 형성되며, 상기 게이트 전극은 금을 포함하며, 상기 검출 물질은 금 결합 단백질 및 검출 단백질이 융합된 형태의 융합단백질일 수 있다. 이때 상기 플렉서블 바이오센서는 상기 게이트 전극을 지나는 미세유체 채널을 더 포함하며, 상기 미세유체 채널로 상기 검출 물질을 흘리는 방식으로 상기 검출 물질이 게이트 전극에 고정화될 수 있다. 상기 레이저는 엑시머 레이저이며, 상기 제 1형 불순물은 n형 불순물이다. 상술한 바이오센서를 이용한 검출 방법으로, 상기 방법은 실리콘 기판상의 게이트 전극을 지나는 미세유체 채널에 표적 물질을 흘리는 단계; 및 상기 표적물질과 검출 물질 간의 결합에 따른 바이오센서의 전류 변화를 측정하는 단계를 포함하는 것을 검출방법이 있다. 이와 달리, 본 발명의 또 다른 일 실시예의 바이오센서를 이용한 검출 방법으로, 상기 방법은 상기 소스 및 드레인 영역 사이의 미세유체 채널에 표적 물질을 흘리는 단계; 및 상기 표적물질과 검출 물질 간의 결합에 따른 바이오센서의 전류 변화를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오센서를 이용한 검출 방법이 제공된다. 상기 미세유체 채널은 하나 이상의 게이트 전극을 동시에 지날 수 있다. The present invention also provides a flexible lower substrate; A silicon upper substrate in contact with an upper portion of the flexible lower substrate, the source and drain regions being spaced apart at predetermined intervals; A microfluidic channel passing through the silicon substrate between the source and drain regions, wherein a detection material for detecting a biologically active material is immobilized on the silicon substrate between the source and drain regions, wherein the silicon substrate is Provided is a flexible biosensor characterized in that it is crystallized. The source and drain regions are stacked on the silicon substrate, and are formed by irradiating the doped layer doped with the first type impurities with the laser to diffuse the first type impurities into the silicon substrate. It includes, the detection material may be a fusion protein in the form of a gold binding protein and the detection protein fused. In this case, the flexible biosensor further includes a microfluidic channel passing through the gate electrode, and the detection material may be immobilized to the gate electrode in such a manner as to flow the detection material through the microfluidic channel. The laser is an excimer laser, and the first type impurity is an n type impurity. A detection method using the above-described biosensor, the method comprising: flowing a target material into a microfluidic channel passing through a gate electrode on a silicon substrate; And measuring a change in current of the biosensor according to the coupling between the target material and the detection material. Alternatively, the detection method using a biosensor according to another embodiment of the present invention, the method includes flowing a target material in the microfluidic channel between the source and drain regions; And measuring a change in current of the biosensor according to the binding between the target material and the detection material. The microfluidic channel may simultaneously pass through one or more gate electrodes.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 플렉서블 기판상에 비정질의 제 1 실리콘층을 적층하는 단계; 상기 비정질의 제 1 실리콘층 상에 제 1형 불순물로 도핑된 도핑층을 적층하는 단계; 상기 도핑층을 패터닝하여, 소정 간격으로 이격된 소스 및 드레인 영역 도핑층을 형성하는 단계; 상기 제 1 실리콘층 및 소스 및 드레인 영역 도핑층에 레이저를 조사하여, 상기 제 1 실리콘층을 결정화시킴과 동시에, 상기 n형 도핑층의 불순물을 아래 제 1 실리콘층으로 확산시켜 상기 제 1 실리콘층에 소스 및 드레인 영역을 형성시키는 단계; 상기 제 1 실리콘층을 패터닝하여, 상기 소스 및 드레인 영역을 포함하는 실리콘 소자 기판을 형성하는 단계; 상기 소자 기판 상에 게이트 산화물층을 적층하여, 패터닝하여, 상기 소스 및 드레인 영역을 노출시키는 단계; 상기 게이트 산화물층 상에 금속층을 적층, 패터닝하여, 소스, 게이트 및 드레인 전극을 제조하는 단계; 및 상기 게이트 전극으로부터 연장된 게이트 전극 패드를 지나는 미세유체 채널을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 바이오센서 제조방법을 제공한다. In order to solve the above another problem, the present invention comprises the steps of laminating an amorphous first silicon layer on a flexible substrate; Stacking a doped layer doped with a first type impurity on the amorphous first silicon layer; Patterning the doped layer to form source and drain region doped layers spaced at predetermined intervals; The first silicon layer and the source and drain region doped layers are irradiated with a laser to crystallize the first silicon layer, and at the same time, the impurities of the n-type doped layer are diffused into the first silicon layer below. Forming source and drain regions in the trenches; Patterning the first silicon layer to form a silicon device substrate including the source and drain regions; Stacking and patterning a gate oxide layer on the device substrate to expose the source and drain regions; Stacking and patterning a metal layer on the gate oxide layer to fabricate source, gate, and drain electrodes; And forming a microfluidic channel passing through the gate electrode pad extending from the gate electrode.
본 발명은 또한 플렉서블 기판 상에 하부 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 하부 게이트 전극 및 플렉서블 기판상에 절연층을 적층하는 단계; 상기 절연층 상에 비정질의 제 1 실리콘층을 적층하는 단계; 상기 비정질의 제 1 실리콘층 상에 제 1형 불순물로 도핑된 도핑층을 적층하는 단계; 상기 도핑층을 패터닝하여, 소정 간격으로 이격된 소스 및 드레인 영역 도핑층을 형성하는 단계; 상기 제 1 실리콘층 및 소스 및 드레인 영역 도핑층에 레이저를 조사하여, 상기 제 1 실리콘층을 결정화시킴과 동시에, 상기 n형 도핑층의 불순물을 아래 제 1 실리콘층으로 확산시켜 상기 제 1 실리콘층에 소스 및 드레인 영역을 형성시키는 단계; 상기 소스 및 드레인 영역 상에 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 및 상기 소스 및 드레인 영역 사이의 실리콘 기판을 지나는 미세유체 채널을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 바이오센서 제조방법을 제공한다. The invention also includes forming a bottom gate electrode on the flexible substrate; Stacking an insulating layer on the lower gate electrode and the flexible substrate; Depositing an amorphous first silicon layer on the insulating layer; Stacking a doped layer doped with a first type impurity on the amorphous first silicon layer; Patterning the doped layer to form source and drain region doped layers spaced at predetermined intervals; The first silicon layer and the source and drain region doped layers are irradiated with a laser to crystallize the first silicon layer, and at the same time, the impurities of the n-type doped layer are diffused into the first silicon layer below. Forming source and drain regions in the trenches; Forming source and drain electrodes on the source and drain regions; And fabricating a microfluidic channel passing through the silicon substrate between the source and drain regions.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서 제조방법은 상기 게이트 전극과 특이적으로 결합할 수 있는 생물학적 활성 물질을 상기 게이트 전극 패드를 지나는 상기 미세유체 채널로 흘림으로써 상기 생물학적 활성 물질을 상기 게이트 전극 패드에 고정시키는 단계를 더 포함할 수 있다. The biosensor manufacturing method according to an embodiment of the present invention flows the biologically active material into the microfluidic channel passing through the gate electrode pad through a biologically active material that can be specifically bound to the gate electrode. It may further comprise the step of fixing to.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 바이오센서 제조방법은 실리콘 기판과 특이적으로 결합할 수 있는 생물학적 활성 물질을 상기 소스 및 드레인 영역 사이의 실리콘 기판을 지나는 미세유체 채널로 흘림으로써, 상기 생물학적 활성 물질을 상기 실리콘 기판에 고정시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제 1형 불순물은 n형 불순물일 수 있으며, 상기 미세유체 채널 제조단계는 실리콘 기판, 소스 및 드레인 전극 상에 적층되며, 상기 소스 및 드레인 전극 사이의 실리콘 기판이 노출되는 패시베이션층을 적층하는 단계; 및 상기 패시베이션층 상에 적층되어, 상기 패시베이션층과 접합되는 상부 커버층을 적층하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 상부 커버층에는 상기 미세유체 채널로 시료를 주입하거나, 배출할 수 있는 홀이 구비될 수 있다.Biosensor manufacturing method according to another embodiment of the present invention by flowing a biologically active material capable of specifically binding to a silicon substrate to the microfluidic channel passing through the silicon substrate between the source and drain regions, the biological activity The method may further include fixing a material to the silicon substrate. The first type impurity may be an n type impurity, and the preparing of the microfluidic channel may be performed on the silicon substrate, the source and drain electrodes, and the passivation layer exposing the silicon substrate between the source and drain electrodes. ; And stacking an upper cover layer laminated on the passivation layer and bonded to the passivation layer. In addition, the upper cover layer may be provided with a hole for injecting or discharging a sample into the microfluidic channel.
본 발명에 따른 바이오센서는 플렉서블 기판상에 직접 구현되므로, 실리콘 기판에서 소자 기판을 제조한 후, 플렉서블 기판으로 전사시키는 종래 기술에 비하여 경제성이 우수하다. 또한, 본 발명에 따른 바이오센서 소자는 고성능 마이크로 구조 반도체를 이용하여 플라스틱 기판에서 직접 바이오 물질을 검출하기 때문에, 기존 바이오센서보다 우수한 감응도를 갖는다. 더 나아가, 본 발명에 따른 바이오센서는 플렉서블 기판의 한계를 극복하기 위하여, 별도의 금속 전극 패드의 전처리 과정 없이 원하는 생물학적 활성 물질을 특이적으로 전극 패드에 결합시킬 수 있으므로, 경제성과 공정 응용성이 우수하다. 즉, 기존의 자기조립 단일층(Self-Assembled Monolayer, SAM) 기반의 바이오 물질 고정화 기술에 비해 표면수식화 공정 없이 바이오리셉터의 방향을 유지하면서, 보다 간단한 공정으로 효율적으로 원하는 바이오리셉터로 표면을 기능화시킬 수 있다. 또한 전기적 검출 기반의 고감도 바이오센서를 투명한 플라스틱 기판 위에 구현할 경우, 바이오 신호를 디지털 전기신호로 전환하여 타 정보처리 디바이스와의 연계성이 높아지며, 휴대성이 좋고 전기적 검출뿐만 아니라 광학적인 검출도 가능하고 생산원가도 낮아지는 등 많은 이점이 존재하게 된다. Since the biosensor according to the present invention is directly implemented on the flexible substrate, the biosensor is manufactured in a silicon substrate, and then, compared to the conventional technology of manufacturing a device substrate and transferring the flexible substrate to the flexible substrate, the economic efficiency is excellent. In addition, since the biosensor device according to the present invention detects a biomaterial directly from a plastic substrate by using a high performance microstructure semiconductor, the biosensor device has a superior sensitivity than a conventional biosensor. Furthermore, in order to overcome the limitations of the flexible substrate, the biosensor according to the present invention can specifically bind the desired biologically active material to the electrode pad without a separate pretreatment of the metal electrode pad, and thus, economical and process applicability great. That is, compared to the conventional self-assembled monolayer (SAM) -based biomaterial immobilization technology, the surface of the bioreceptor can be efficiently functionalized with the desired bioreceptor in a simpler process while maintaining the orientation of the bioreceptor without the surface modification process. Can be. In addition, when a high-sensitivity biosensor based on electrical detection is implemented on a transparent plastic substrate, the bio signal is converted into a digital electrical signal, thereby increasing the linkage with other information processing devices, and being portable and providing electrical detection as well as optical detection. There are many benefits, including lower costs.
도 1 내지 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서의 제조방법을 나타내는 단계도이다.
도 13 내지 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서를 이용한 단백질 검출예를 나타내는 도면이다.
도 17 및 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서를 이용한 DNA 검출예를 나타내는 도면이다.
도 19 내지 30은 실리콘 결합 물질을 이용한 바이오센서의 제조방법을 나타내는 단계도이다.
도 31 내지 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서를 이용한 단백질 검출예를 나타내는 도면이다.1 to 12 are steps illustrating a method of manufacturing a biosensor according to an embodiment of the present invention.
13 to 16 are diagrams showing an example of protein detection using a biosensor according to an embodiment of the present invention.
17 and 18 are diagrams showing examples of DNA detection using a biosensor according to an embodiment of the present invention.
19 to 30 are steps illustrating a method of manufacturing a biosensor using a silicon bonding material.
31 to 34 are diagrams showing examples of protein detection using a biosensor according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타내며, 본 명세서에 첨부된 도면은 모두 전체 평면도 및 부분 단면(A-A')을 절개한 단면도의 형식으로 해석된다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the drawings. The following embodiments are provided as examples to ensure that the spirit of the present invention to those skilled in the art will fully convey. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in other forms. In the drawings, the width, length, thickness, etc. of the components may be exaggerated for convenience. Like reference numerals denote like elements throughout the specification, and the accompanying drawings are all interpreted in the form of a cross-sectional view of the entire plan view and the partial cross section A-A '.
본 발명은 플렉서블 기판에 미리 적층된 비정질의 실리콘 기판을 레이저로 처리하여 결정화시키는 방식으로 플렉서블 기판에 구현된 실리콘 기반의 반도체 소자를 제조한다. 즉, 소스, 드레인을 형성함으로써 바이오센서의 소자 기판을 정의한 후, 해당영역을 플렉서블 기판에 전사시키는 방식이 아닌, 레이저를 이용하여 플렉서블 기판에서 직접 반도체 소자 기반의 바이오센서를 제조하는 새로운 방식의 플렉서블 바이오센서 제조방법을 제공한다. 본 발명에서 사용되는 "플렉서블(flexible)"이라는 용어는 딱딱한(rigid) 특성을 갖는 두께의 실리콘 기판 등과 구별되는 용어로서, 플라스틱 기판 또는 박막 실리콘 기판 등과 같이 기판이 일정각도로 휘어지거나, 접혀질 수 있는 특성을 모두 포함하는 용어이다. The present invention manufactures a silicon-based semiconductor device implemented in a flexible substrate in such a way that the amorphous silicon substrate previously laminated on the flexible substrate is processed by laser to crystallize. In other words, the device substrate of the biosensor is defined by forming a source and a drain, and then a new method of manufacturing a semiconductor device-based biosensor directly from the flexible substrate using a laser, rather than transferring the corresponding region to the flexible substrate. It provides a biosensor manufacturing method. As used herein, the term “flexible” is a term that is distinguished from a silicon substrate having a rigid characteristic and the like, and may be bent or folded at a predetermined angle, such as a plastic substrate or a thin film silicon substrate. A term that includes all of the properties present.
본 발명은 상술한 바와 같이 특정 바이오 물질 검출을 위한 바이오센서를 레이저에 기반한 방법으로 제조한다. 본 발명은 특히 실리콘 기판에 소자 기판을 제조한 후, 이를 PDMS로 전사시키는 종래 기술과 달리, 플라스틱 기판에서 구비된 실리콘 기판에서 직접 반도체 소자의 바이오센서를 제조할 수 있으므로, 종래 기술에 비하여 경제적이다. 본 발명에 따른 바이오센서 제조방법은 결정화된 실리콘 기판에 기반한 임의의 모든 바이오센서에 다 적용될 수 있으나, 본 발명 금속 게이트 전극에서 검출 물질이 고정화된 일 형태(실시예 1)와 실리콘 기판에 검출 물질이 고정화된 일 형태를 제공한다. As described above, the present invention manufactures a biosensor for detecting a specific biomaterial by a laser based method. In particular, the present invention is economical compared to the prior art, since a biosensor of a semiconductor device can be manufactured directly from a silicon substrate provided in a plastic substrate, unlike the prior art in which a device substrate is manufactured on a silicon substrate and then transferred to PDMS. . The biosensor manufacturing method according to the present invention can be applied to any biosensor based on a crystallized silicon substrate, but in one embodiment (Example 1) in which a detection material is immobilized in a metal gate electrode of the present invention and a detection material on a silicon substrate This provides a fixed form of work.
이하, 도면을 이용하여 본 발명에 따른 바이오센서의 제조방법을 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method of manufacturing a biosensor according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
실시예Example 1 One
금 결합 물질을 이용한 바이오센서 제조Biosensor manufacturing using gold binding material
도 1 내지 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서의 제조방법을 나타내는 단계도이다.1 to 12 are steps illustrating a method of manufacturing a biosensor according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 실리콘 기판과 같이 딱딱한 기판이 아닌, 플렉서블 기판, 예를 들면 플라스틱 기판(100)이 개시된다. 즉, 본 발명은 실리콘 기판에서 바이오센서의 전부 또는 일부를 제조하는 종래 기술과 달리, 플라스틱과 같은 플렉서블 기판으로부터 바이오센서를 직접 제조한다.Referring to FIG. 1, a flexible substrate, such as a
도 2를 참조하면, 상기 플렉서블 기판(100)위에 실리콘 산화물층, 예를 들면 PECVD에 의한 실리콘 산화물층(110)이 소정 두께로 적층되며, 상기 산화물층(110)은 일종의 버퍼층으로 기능하게 된다. Referring to FIG. 2, a silicon oxide layer, for example, a
도 3을 참조하면, 산화물층(110) 위에 비정질 실리콘인 제 1 실리콘층(amorphous silicon, a-Si, 120)이 적층된다. 본 발명의 일 실시예에서 비정질의 제 1 실리콘층은 PECVD 로 적층되었다.Referring to FIG. 3, a first silicon layer (amorphous silicon, a-Si, 120), which is amorphous silicon, is stacked on the
도 4를 참조하면, 비정질의 제 1 실리콘층(120)의 상부에는 제 1 형 불순물이 도핑된 실리콘 도핑층(130)이 적층된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 제 1형 불순물은 n형 불순물, 예를 들면, PH3 등이 도핑된 n형 도핑층이다. 상기 불순물 도핑 방법은 이온 임플란트 등의 방식이 사용될 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 일 실시예에서는 PECVD로 비정질 실리콘층을 제 1 실리콘층(120)위에 적층하면서 포스핀 가스를 동시에 흘렸다. 이로써, 포스핀이 도핑된 도핑층(130이 제 1 실리콘층(120) 위에 형성된다.Referring to FIG. 4, a silicon doped
도 5를 참조하면, 상기 도핑층(130)을 선택적으로 식각하여, 소스 및 드레인 영역에 해당하는 도핑층(130a, 130b)만을 비정질 실리콘층(120) 위에 남기게 된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 도핑층은 포토리소그래피 공정으로 마스크를 패터닝한 후, 마스크로 보호되지 않는 나머지 영역을 습식 식각 공정으로 제거하였다.Referring to FIG. 5, the doped
도 6을 참조하면, 레이저를 이용하여 상기 비정질의 제 1 실리콘층(120)을 결정화시키게 된다. 본 발명에서 비정질 실리콘의 결정화에 이용되는 엑시머 레이저는 진공용기 중에서 두 가지 혼합 기체를 봉입한 후, 방전이나 전자빔 등으로 자극하여 불안정한 여기 다이머(excited dimer)를 만들어 내고, 이들이 붕괴되면서 고출력으로 방출되는 자외선 빔을 말한다. 상기 엑시머 레이저는 자외선 광원 중에서는 유일하게 큰 출력을 고르게 내며 회절 현상이 적고 물질과의 상호 작용 시 열적 현상 없이 화학적인 작용에 의해 이루어지므로 반도체 물질과의 호환성이 대단히 높다는 장점이 있다. 특히, 기존 RTP(Rapid Thermal Processing) 대신에 레이저로 열처리 및 결정화를 하게 되면 '0'에 가까운 열적 부담을 갖는다는 장점이 있다. 즉, 레이저 펄스는 RTP보다 108 정도 짧은 시간(nanosecond 단위)동안 조사되기에 플라스틱 기판에서도 열차단층만 있으면 결정화를 이루어 낼 수 있는데, 본 발명은 이를 통하여 플라스틱과 같이 열적으로 취약한 플렉서블 기판에서 직접 반도체 소자 기반의 바이오센서를 제조한다. 본 발명에 따른 상기 레이저 처리는 국부적이고 선택적인 영역에서 열처리 가능하다는 장점이 있다. 즉, 웨이퍼 전체를 같은 조건에서 열처리를 하는 RTP에 비교하면 레이저 기술은 빔을 이용하여 국부적이고 선택적인 영역에서 고온 열처리가 가능하기에 원하지 않는 영역에서의 비효율적인 결정화 공정을 줄일 수 있다. Referring to FIG. 6, the amorphous
본 발명은 엑시머 레이저를 직접 플렉서블 기판에 적층된 실리콘 기판에 조사하며, 이로써, 비정질의 제 1 실리콘층(120)의 결정화뿐만 아니라, 상기 소스 및 드레인 영역이 형성된 도핑층의 제 1 불순물(n형 불순물)이 아래의 비정질 실리콘층(120)으로 확산되어, 제 1 실리콘층(120a)에 소스 및 드레인 영역(S, D)이 형성되게 한다. 상기 제 1형 불순물의 도핑층은 이후 포토리소그래피 및 건식 식각 공정 등으로 제거되며, 이로써 결정화된 제 1 실리콘 층(120a)과, 상기 제 1 실리콘 층(120a)의 소정 영역에 n형 불순물이 도핑된 소스 및 드레인 영역이 형성된다. The present invention irradiates an excimer laser directly onto a silicon substrate stacked on a flexible substrate, whereby the first impurity (n-type) of the doped layer in which the source and drain regions are formed, as well as the crystallization of the amorphous
도 7을 참조하면, 결정화된 제 1 실리콘층(120a)은 패터닝되어, 소스, 드레인 영역을 포함하는 바이오센서 트랜지스터의 소자 기판(이하, 바이오 소자 기판, 120b)이 형성된다. Referring to FIG. 7, the crystallized
도 8을 참조하면, 상기 바이오 소자 기판(120b) 상부에는 실리콘 산화물과 같은 절연층(140)이 적층된다. 상기 절연층(140)의 적층은 화학기상증착과 같은 방식으로 수행되며, 상기 절연층(140)은 소스 및 드레인(S, D) 사이의 실리콘 기판에서 게이트 산화막으로 기능하게 된다. Referring to FIG. 8, an insulating
도 9를 참조하면, 절연층(140)은 패터닝되며, 바이오 소자 기판(120b)의 소스 및 드레인(S, D) 영역은 노출되고, 그 사이의 게이트 영역에는 절연층(140)이 여전히 적층된 상태를 유지한다. 게이트 영역 상의 절연층(140)은 이후 게이트 산화물로 기능하게 된다. Referring to FIG. 9, the insulating
도 10을 참조하면, 상기 절연층(140)위에 금속층(150)이 적층되며, 이로써 소스 및 드레인 영역과 직접 접촉하는 소스, 드레인 전극이 형성된다. 또한, 게이트 전극은 상기 절연층을 사이에 두고, 바이오 소자 기판에 적층된다. Referring to FIG. 10, a
도 11을 참조하면, 상기 금속층(150)은 패터닝되어, 소스, 드레인 전극 및 게이트 전극(150a, 150c, 150b)이 형성된다. 또한, 소스, 드레인, 게이트 전극은 소정 길이로 연장되며, 연장된 전극 단부에는 보다 넓은 넓이를 갖는 패드가 구비된다. 특히 게이트 전극(150b)은 소자 기판 영역과는 이격된 기판 영역에 구비되며, 상기 게이트 전극 패드 영역에는 생물학적 활성 물질이 흐르는 미세유체 채널이 형성된다. Referring to FIG. 11, the
상기 미세유체 채널을 제조하기 위하여, 본 발명은 소정 깊이의 트렌치가 형성된 PDMS를 사용하는데, 이는 도 12에 개시된다. 도 12를 참조하면, 소정 깊이의 트렌치(210)가 형성된 PDMS(200)를 게이트 전극 패드(120b)에 대향하여, 접촉시키게 되는데, 이로써 상기 트렌치(210)는 게이트 전극 패드(150b)를 지나는 미세유체 채널(210)을 형성하게 된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 전극 물질은 금이었으며, PDMS와 플렉서블 기판 사이의 밀봉을 위하여 SU-8과 같은 고분자층(220)이 상기 PDMS(200)와 실리콘 산화물층(110) 사이에 적층될 수 있다. 이로써, 상기 게이트 전극 패드에서의 바이오 물질의 반응에 따른 전압 변화에 따라 전류 변화를 검출할 수 있는 플렉서블 트랜지스터 형태의 바이오센서가 제조된다.In order to make the microfluidic channel, the present invention uses a PDMS having trenches of a predetermined depth, which is disclosed in FIG. Referring to FIG. 12, the
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 바이오센서의 생물학적 활성 물질의 검출예를 상세히 설명한다.
Hereinafter, a detection example of a biologically active substance of the flexible biosensor according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
실험예Experimental Example 1 One
금 결합물질을 이용한 단백질 검출Protein Detection Using Gold Binders
실험예Experimental Example 1-1 1-1
항원 고정화Antigen immobilization
본 실시예에서는 금 결합 단백질(Gold Binding Protein, GBP)과 원하는 목적 단백질이 융합된 형태의 융합단백질(이하 GBP-융합단백질)을 미세유체 채널에 흘림으로써, 상기 융합단백질을 게이트 전극 패드(150b)에 고정화시켰다. In the present embodiment, a fusion protein (hereinafter referred to as GBP-fusion protein) in which a gold binding protein (GBP) and a desired target protein are fused is flowed into a microfluidic channel, thereby allowing the fusion protein to flow through the
도 13 내지 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서를 이용한 단백질 검출예를 나타내는 도면이다.13 to 16 are diagrams showing an example of protein detection using a biosensor according to an embodiment of the present invention.
도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 바이오센서의 미세유체 채널(210)에 GBP-융합 단백질을 흘리며, 상기 흐르는 GBP-융합 단백질은 게이트 전극 패드(150b)에 특이적으로 결합, 고정화된다. 본 실시예에서 상기 목적 단백질은 조류 인플루엔자의 항원 단백질(Avian Influenza Viral Surface Antigen, Korea specific H5N1 & H9N2 AIa)로서, GBP와 융합된 형태이다. 본 실시예에서 사용된 GBP는 아래의 아미노산 서열을 따른다.
Referring to FIG. 13, the GBP-fusion protein flows into the
1. GBP11. GBP1
H2N- MHGKTQATSGTIQS -COOHH 2 N- MHGKTQATSGTIQS -COOH
2. GBP32. GBP3
H2N- MGKTQATSGTIQSMHGKTQATSGTIQSMHGKTQATSGTIQS-COOHH 2 N- MGKTQATSGTIQSMHGKTQATSGTIQSMHGKTQATSGTIQS-COOH
3. GBP103. GBP10
H2N- SKTSLGQSGASLQGSEKLTNG-COOHH 2 N- SKTSLGQSGASLQGSEKLTNG-COOH
도 14를 참조하면, 금 전극 패드(150b)에 GBP-항원 융합단백질(GBP-AIa)이 결합되어 고정된 것을 알 수 있다. 이로써, 게이트 전극의 전압 변화에 따른 전류 변화가 검출된다(위 그래프 참조).
Referring to FIG. 14, it can be seen that the GBP-antigen fusion protein (GBP-AIa) is combined and fixed to the
실험예Experimental Example 1-2 1-2
항체 검출Antibody detection
도 15를 참조하면, GBP-항원 융합단백질이 결합된 게이트 전극 패드(150b)를 지나는 동일하거나, 또 다른 미세유체 채널(310)이 개시된다. 상기 미세유체 채널(150b)을 통하여 항체를 포함하는 표적 물질을 흘리며, 만약 상기 표적 물질 내에 상기 항원과 특이적으로 결합하는 항체가 존재하는 경우, 항원-항체 간의 특이 결합이 일어나게 되며, 이로써 게이트 전극(150b)의 전압이 변화된다. 상기 미세유체 채널(310)은 상술한 바와 같이 소정 깊이 및 너비를 갖는 트렌치를 상기 게이트 전극 패드(150b)에 대향하여 접촉시키는 방식으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 15, the same or another
본 발명의 일 실시예에서, 검출하고자 하는 표적 물질은 복수의 게이트 전극 패드(A, B, C)를 모두 지나는 또 다른 미세유체 채널을 흐르게 되며, 이로써, 동일 항체에 대한 복수 종류의 항원이 동시에 검출될 수 있다. 하지만, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. In one embodiment of the invention, the target material to be detected flows through another microfluidic channel that passes through all of the plurality of gate electrode pads (A, B, C), whereby multiple kinds of antigens for the same antibody Can be detected. However, the scope of the present invention is not limited thereto.
도 16은 본 실시예에 대한 항원-항체 결합의 모식도 및 항원-항체 결합에 따른 전류 변화 그래프이다. 본 실시예에서 항체는 AIa 항원에 특이적으로 결합하는 조류 인플루엔자 항체이다. 도 16을 참조하면, 항원-항체 간의 결합에 따라 게이트 전압 변화 및 전류 변화가 주목할만한 수준으로 검출되는 것을 알 수 있다.
16 is a schematic diagram of antigen-antibody binding and current change graphs according to antigen-antibody binding for the present example. In this embodiment, the antibody is an avian influenza antibody that specifically binds to an AIa antigen. Referring to FIG. 16, it can be seen that the gate voltage change and the current change are detected at a remarkable level according to the antigen-antibody binding.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 바이오센서의 생물학적 활성 물질의 검출예를 상세히 설명한다.
Hereinafter, a detection example of a biologically active substance of the flexible biosensor according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
실험예Experimental Example 2 2
DNADNA 검출 detection
본 발명에 따른 바이오센서는 단백질뿐만 아니라 DNA 검출이 가능하며, 이 경우 표적 DNA와 검출 DNA간의 특이적 혼성화에 따라 DNA를 검출한다. The biosensor according to the present invention is capable of detecting DNA as well as protein, in which case the DNA is detected according to specific hybridization between the target DNA and the detection DNA.
도 17 및 18은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 바이오센서를 이용한 DNA 검출예를 나타내는 도면이며, 이 중 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 DNA 검출의 모식도이다.17 and 18 are diagrams showing an example of DNA detection using a biosensor according to another embodiment of the present invention, and FIG. 17 is a schematic diagram of DNA detection according to an embodiment of the present invention.
도 17을 참조하면, 티올기(-SH)와 금 전극 패드 사이의 결합에 따라 티올기(SH)를 말단부에 함유하는 단일 스트랜드 DNA는 게이트 전극 패드(금 전극 패드)에 결합된다. 이로써 티올기를 말단기로 함유하는 상기 단일 스트랜드 DNA는 검출 DNA(Probe DNA)로서 게이트 전극 패드에 고정된다. 이후 미세유체 채널로 표적 DNA를 흘리게 되는데, 상기 표적 DNA가 검출 DNA와 상보적인 염기서열을 갖는 경우, 표적 DNA-검출 DNA 간에는 혼성화(hybridization)가 일어난다. 상기 혼성화 결합에 따른 전하 변화에 따라 게이트 전극의 전압은 변화되며, 이로써 전류 변화가 검출된다. Referring to FIG. 17, a single stranded DNA containing a thiol group (SH) at its end is bonded to a gate electrode pad (gold electrode pad) according to the bond between the thiol group (-SH) and the gold electrode pad. As a result, the single stranded DNA containing the thiol group as an end group is fixed to the gate electrode pad as the detection DNA (Probe DNA). The target DNA is then flowed into the microfluidic channel. When the target DNA has a nucleotide sequence complementary to the detection DNA, hybridization occurs between the target DNA and the detection DNA. The voltage of the gate electrode is changed according to the charge change due to the hybridization bond, and thus the current change is detected.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 DNA 혼성화에 따른 전류 변화의 모식도이다. 18 is a schematic diagram of a current change according to DNA hybridization according to an embodiment of the present invention.
도 18을 참조하면, 티올기를 말단기로 함유하는 검출 DNA가 게이트 전극 패드에 고정됨에 따라 전류 변화가 발생하고(상단부), 표적 DNA와의 혼성화에 따라 전류 변화가 발생하는 것을 알 수 있다(하단부).
Referring to FIG. 18, it can be seen that a current change occurs as the detection DNA containing a thiol group as an end group is fixed to the gate electrode pad (top), and a current change occurs as a result of hybridization with the target DNA (bottom). .
실시예Example 2 2
실리콘 결합 물질을 이용한 바이오센서 제조Biosensor Manufacturing Using Silicon Bond Material
도 19 내지 30은 실리콘 결합 물질을 이용한 바이오센서의 제조방법을 나타내는 도면이다.19 to 30 is a view showing a method of manufacturing a biosensor using a silicon bonding material.
도 19를 참조하면, 플라스틱과 같은 플렉서블 기판(800)이 제공된다. Referring to FIG. 19, a
도 20을 참조하면, 상기 플라스틱 기판(800)에 하부 게이트 전극(810)이 적층된다. Referring to FIG. 20, a
본 발명의 일 실시예에서 하부 게이트 전극(810)은 크롬(Cr)과 금(Au)으로 이루어진 금속으로 이루어지나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present invention, the
도 21을 참조하면, 상기 하부 게이트 전극(810) 및 플라스틱 기판(800) 상에 게이트 절연층(820)이 소정 높이로 적층된다. 이로써, 게이트 전극(810)은 상부 소자와 전기적인 절연 상태를 유지한다. 상기 게이트 절연층(820)으로 실리콘 산화물(SiO2)이 사용될 수 있으며, 플라즈마 화학기상증착공정(PECVD) 등에 의하여 적층될 수 있다.Referring to FIG. 21, a
도 22를 참조하면, 상기 절연층(820)위에 비정질의 제 1 실리콘층(830)이 적층되는데, 상기 비정질의 제 1 실리콘층은 PECVD 공정 등에 의하여 수행될 수 있다.Referring to FIG. 22, an amorphous
도 23을 참조하면, 상기 제 1 실리콘층(830) 상에 제 1형 불순물인 n형 불순물로 도핑된 도핑층(840)이 적층된다. 상기 도핑층(840) 적층방식은 상술한 실시예 1과 동일하므로 이하 생략한다. Referring to FIG. 23, a
도 24를 참조하면, 상기 도핑층(840)은 소정 간격으로 이격된 소스 및 드레인 영역에 맞게 패터닝된다. 여기에서, 소스 및 드레인 영역은 트랜지스터에 있어서 소스 및 드레인 전극이 형성되는 기판 영역을 의미하며, 본 발명에서는 특히 도핑층(840)의 불순물을 아래 실리콘 기판을 확산시키는 방식으로 트랜지스터의 소스, 드레인 영역을 형성시키는데, 상기 확산은 레이저 처리에 의하여 수행될 수 있음은 상술한 바와 같다.Referring to FIG. 24, the doped
도 25를 참조하면, 상기 비정질의 제 1 실리콘층(830) 및 패턴된 도핑층(840)은 레이저 처리되며, 이로써 비정질 실리콘의 결정화와 함께 도핑층의 제 1형 불순물이 아래의 제 1 실리콘층으로 확산되면서 실리콘 기판의 소스, 드레인 영역(S, D)이 형성된다. 따라서, 결정화된 제 1 실리콘층(830a)과 상기 제 1 실리콘층(830a)에 형성된 소스, 드레인 영역(S, D)이 제조된다. 이와 같이 본 발명은 별도의 전사 공정 없이 레이저를 통하여 플라스틱 기판에서 직접적인 반도체 소자의 제조를 수행한다. Referring to FIG. 25, the amorphous
도 26을 참조하면, 결정화된 제 1 실리콘층(830a)은 패터닝되어, 소스 및 드레인 영역을 포함하는 바이오센서의 트랜지스터 기판이 형성된다. Referring to FIG. 26, the crystallized
도 27을 참조하면, 상기 제 1 실리콘층(830a)의 소스 및 드레인 영역(S, D)에는 소스, 드레인 전극(840, 850)이 적층된다. 이로써 하부 게이트 전극, 상부 소스 및 드레인 전극으로 이루어진 트랜지스터 소자가 완성된다. Referring to FIG. 27, source and drain
도 28 내지 29를 참조하면, 상기 트랜지스터 소자의 실리콘 기판 중 게이트 영역으로 미세유체 채널을 형성하기 위하여, 먼저 SU-8과 같은 물질로 이루어진 패시베이션층(900)을 실리콘 기판에 적층한다. 이때, 상기 패시베이션층(900)은 게이트 기판만을 소정 노출시킨 트렌치 구조를 갖는다(도 28 참조). 이후, 상기 패시베이션층(900) 위에 PDMS와 같은 가요성 물질로 이루어진 커버층(910)이 적층됨으로써 게이트 기판만을 지나는 미세유체 채널이 형성된다. 특히 SU-8과 같은 패시베이션층을 실리콘 기판에 먼저 적층시킴으로써 미세유체 채널로부터 시료가 누출되는 문제를 방지할 수 있으며, 커버층(910) 자체에도 패시베이션층(900)의 트렌치에 대향하는 트렌치와 시료를 주입, 배출할 수 있는 홀을 구비시킴으로써, 시료 유체를 용이하게 흘리고, 배출할 수 있다. 본 발명은 실리콘 기판의 게이트 영역을 지나는 미세유체 채널을 통하여 상기 게이트 영역에 특이적으로 결합하는 생물학적 활성 물질을 흘림으로써, 게이트 기판에 검출 물질을 결합시키게 된다. 이를 위하여 본 발명은 실리콘에 특이적으로 결합하는 실리콘-결합 단백질과 목적 물질이 융합된, 융합 단백질을 제공하는데, 이는 이하 보다 상세히 설명한다.28 to 29, in order to form a microfluidic channel in a gate region of a silicon substrate of the transistor device, a
도 30는 도 29에 도시된 본 발명에 따른 바이오센서의 트랜지스터 효과를 나타내는 그래프이다. 30 is a graph showing the transistor effect of the biosensor according to the present invention shown in FIG.
도 30을 참조하면, 베이스 전압의 증가에 따라 컬렉터 전류가 증가하는 현상을 알 수 있다. 따라서, 상기 결과는 본 발명에 따라 플라스틱 기판에 제조된 바이오센서는 전형적인 트랜지스터 특성을 나타낸다.Referring to FIG. 30, it can be seen that the collector current increases as the base voltage increases. Thus, the results show that the biosensors produced on plastic substrates according to the present invention exhibit typical transistor characteristics.
이하 도면을 이용하여 본 발명에 따라 제조된 바이오센서의 구현 방법을 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method for implementing a biosensor manufactured according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
실험예Experimental Example 3 3
항원 검출Antigen detection
도 31에 도시된 바이오센서의 미세유체 채널을 통하여 실리콘 기판에 선택적으로 결합하는 단백질(Silica Binding Protein)과 검출 단백질을 융합시킨 단백질을 흘림으로써 검출 단백질을 고정시켰다.
The detection protein was fixed by flowing a protein fused with a protein (Silica Binding Protein) and a detection protein selectively bound to a silicon substrate through the microfluidic channel of the biosensor shown in FIG. 31.
본 실험예에서 사용된 SBP는 아래의 염기서열 및 아미노산 서열을 따른다.
SBP used in this experimental example follows the following nucleotide sequence and amino acid sequence.
1. rplB11. rplB1
5'-GCTATCGTTAAATGTAAGCCGACCTCCGCTGGTCGTCGTCACGTTGTTAAAATCGTGAACCCTGAATTACATAAGGGTAAACCTTACGCACCTTTATTAGATACTAAATCTAAAACTGGTGGTCGTAATAATTTAGGACGTATCACTACTCGTCATATCGGTGGTGGTCATAAACAA -3’5'-GCTATCGTTAAATGTAAGCCGACCTCCGCTGGTCGTCGTCACGTTGTTAAAATCGTGAACCCTGAATTACATAAGGGTAAACCTTACGCACCTTTATTAGATACTAAATCTAAAACTGGTGGTCGTAATAATTTAGGACGTATCACTACTCGTCATATCGGTGGTGGTCATAAACAA -3 ’
RplB1RplB1
H2N-AIVKCKPTSAGRRHVVKIVNPELHKGKPYAPLLDTKSKTGGRNNLGRITTRHIGGGHKQ-COOH
H 2 N-AIVKCKPTSAGRRHVVKIVNPELHKGKPYAPLLDTKSKTGGRNNLGRITTRHIGGGHKQ-COOH
2. rplB22. rplB2
5'-GTACTTGGTAAAGCCGGTGCCAACCGCTGGAGAGGCGTTCGCCCTACAGTTCGCGGTACTGCGATGAACCCGGTAGATCACCCGCACGGTGGTGGTGAAGGTCGTAACTTTGGTAAACACCCGGTATCACCTTGGGGCGTTCAAACCAAAGGTAAGAAAACTCGTCACAACAAACGTACCGATAAATATATCGTACGTCGTCGTGGCAAA -3’5'-GTACTTGGTAAAGCCGGTGCCAACCGCTGGAGAGGCGTTCGCCCTACAGTTCGCGGTACTGCGATGAACCCGGTAGATCACCCGCACGGTGGTGGTGAAGGTCGTAACTTTGGTAAACACCCGGTATCACCTTGGGGCGTTCAAACCAAAGGTAAGAAAACTCGTCATCACAAATA
RplB2RplB2
H2N-VLGKAGANRWRGVRPTVRGTAMNPVDHPHGGGEGRNFGKHPVSPWGVQTKGKKTRHNKRTDKYIVRRRGK-COOH
H 2 N-VLGKAGANRWRGVRPTVRGTAMNPVDHPHGGGEGRNFGKHPVSPWGVQTKGKKTRHNKRTDKYIVRRRGK-COOH
3. rplB123. rplB12
5'-ATGGCTATCGTTAAATGTAAGCCGACCTCCGCTGGTCGTCGTCACGTTGTTAAAATCGTGAACCCTGAATTACATAAGGGTAAACCTTACGCACCTTTATTAGATACTAAATCTAAAACTGGTGGTCGTAATAATTTAGGACGTATCACTACTCGTCATATCGGTGGTGGTCATAAACAAgtcgacGTACTTGGTAAAGCCGGTGCCAACCGCTGGAGAGGCGTTCGCCCTACAGTTCGCGGTACTGCGATGAACCCGGTAGATCACCCGCACGGTGGTGGTGAAGGTCGTAACTTTGGTAAACACCCGGTATCACCTTGGGGCGTTCAAACCAAAGGTAAGAAAACTCGTCACAACAAACGTACCGATAAATATATCGTACGTCGTCGTGGCAAA-3’
5'-ATGGCTATCGTTAAATGTAAGCCGACCTCCGCTGGTCGTCGTCACGTTGTTAAAATCGTGAACCCTGAATTACATAAGGGTAAACCTTACGCACCTTTATTAGATACTAAATCTAAAACTGGTGGTCGTAATAATTTAGGACGTATCACTACTCGTCATATCGGTGGTGGTCATAAACAAgtcgacGTACTTGGTAAAGCCGGTGCCAACCGCTGGAGAGGCGTTCGCCCTACAGTTCGCGGTACTGCGATGAACCCGGTAGATCACCCGCACGGTGGTGGTGAAGGTCGTAACTTTGGTAAACACCCGGTATCACCTTGGGGCGTTCAAACCAAAGGTAAGAAAACTCGTCACAACAAACGTACCGATAAATATATCGTACGTCGTCGTGGCAAA-3 '
RplB12RplB12
H2N-MAIVKCKPTSAGRRHVVKIVNPELHKGKPYAPLLDTKSKTGGRNNLGRITTRHIGGGHKQVDVLGKAGANRWRGVRPTVRGTAMNPVDHPHGGGEGRNFGKHPVSPWGVQTKGKKTRHNKRTDKYIVRRRGK-COOH
H 2 N-MAIVKCKPTSAGRRHVVKIVNPELHKGKPYAPLLDTKSKTGGRNNLGRITTRHIGGGHKQVDVLGKAGANRWRGVRPTVRGTAMNPVDHPHGGGEGRNFGKHPVSPWGVQTKGKKTRHNKRTDKYIVRRRGK-COOH
또한, 본 발명에서는 하기의 염기 서열 및 아미노산 서열의 SBP를 이용한다.
In the present invention, SBP of the following base sequence and amino acid sequence is used.
SBP1-coding geneSBP1-coding gene
5'-ATGAGCCCACACCCGCACCCACGTCACCATCACACC-3' 5'-ATGAGCCCACACCCGCACCCACGTCACCATCACACC-3 '
SBP1SBP1
H2N-MSPHPHPRHHHT-COOH
H 2 N-MSPHPHPRHHHT-COOH
SBP5-coding geneSBP5-coding gene
5'-AAACCGAGCCACCACCACCACCACACCGGCGCGAAC-3' 5'-AAACCGAGCCACCACCACCACCACACCGGCGCGAAC-3 '
SBP5SBP5
H2N- KPSHHHHHTGAN-COOH
H 2 N- KPSHHHHHTGAN-COOH
SBP10-coding gene SBP10-coding gene
5'-CGTGGCCGTCGTCGTCGTCTGTCTTGCCGTCTGCTG-3' 5'-CGTGGCCGTCGTCGTCGTCTGTCTTGCCGTCTGCTG-3 '
SBP10SBP10
H2N- RGRRRRLSCRLL-COOH
H 2 N-RGRRRRLSCRLL-COOH
본 실험예에서는 미세유체 채널에 PBS를 흘려 1차 세척한 후, SBP-항원의 융합단백질(SBP-AIa)을 흘렸다. 본 발명의 일 실시예에서 사용된 항원은 H5N1 & H9N2 Avian influenza viral surface 항원으로, H2N-CRDNWKGSNRPI-COOH의 서열을 갖는다. SBP-항원 융합단백질(SBP-AIa)의 제조방법은 두 유전자가 융합된 형태로 발현되도록 구성된 재조합벡터를 대장균에 삽입하여, 형질전환을 시키고, 상기 형질전환된 미생물을 배양하여, SBP-AIa의 융합 단백질(SBP-AIa)을 발현시키는 방식이었다. 상기 융합단백질은 실리콘 기판의 게이트 영역에 SBP에 의하여 특이적으로 결합한다.In the present experimental example, PBS was flowed into the microfluidic channel and washed first, followed by fusion protein of SBP-antigen (SBP-AIa). The antigen used in one embodiment of the present invention is H5N1 & H9N2 Avian influenza viral surface antigens, and has the sequence of H 2 N-CRDNWKGSNRPI-COOH. In the method for producing SBP-antigen fusion protein (SBP-AIa), a recombinant vector configured to be expressed in a fused form of two genes is inserted into E. coli, transformed, and cultured the transformed microorganism, It was a way to express the fusion protein (SBP-AIa). The fusion protein specifically binds to the gate region of the silicon substrate by SBP.
도 32를 참조하면, 항원의 결합에 따라(도면 아래 참조) 본 발명에 따른 바이오센서의 전류 변화가 검출되는 것을 알 수 있다.Referring to Figure 32, it can be seen that the current change of the biosensor according to the present invention is detected according to the binding of the antigen (see below in the figure).
도 33을 참조하면, 항원이 결합된 바이오센서의 실리콘 기판 영역(게이트 영역)에 항체(antibody)를 흘리게 되며, 이로써 실리콘에 특이적으로 결합된 항원과 항체의 또 다른 특이 결합이 일어난다.Referring to FIG. 33, an antibody is shed in a silicon substrate region (gate region) of the biosensor to which an antigen is bound, thereby causing another specific binding of the antibody and the antibody specifically bound to silicon.
도 34를 참조하면, 항원-항체 결합에 따라 바이오센서의 컬렉터 전류 변화가 발생하였음을 알 수 있다. Referring to Figure 34, it can be seen that the change of the collector current of the biosensor occurs according to the antigen-antibody binding.
Claims (17)
상기 플렉서블 하부 기판의 상부에 적층되며, 제 1형 불순물이 도핑된 소스 및 드레인 영역이 소정 간격으로 이격되어 형성된 실리콘 기판; 및
상기 실리콘 기판에 적층된 소스, 드레인 및 게이트 전극을 포함하며, 여기에서 상기 게이트 전극에는 생물학적 활성 물질을 검출하는 검출 물질이 고정화되며, 상기 실리콘 기판은 레이저에 의하여 결정화된 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오센서.A flexible lower substrate;
A silicon substrate stacked on the flexible lower substrate and formed with source and drain regions doped with first type impurities separated by predetermined intervals; And
A source, a drain, and a gate electrode stacked on the silicon substrate, wherein a detection material for detecting a biologically active material is immobilized on the gate electrode, and the silicon substrate is crystallized by a laser. .
상기 플렉서블 하부 기판의 상부에 접촉하며, 소스 및 드레인 영역이 소정 간격으로 이격되어 형성된 실리콘 상부 기판;
상기 소스 및 드레인 영역 사이의 실리콘 기판을 지나는 미세유체 채널을 포함하며, 여기에서 상기 소스 및 드레인 영역 사이의 실리콘 기판에 생물학적 활성 물질을 검출하기 위한 검출 물질이 고정화되며, 상기 실리콘 기판은 레이저에 의하여 결정화된 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오센서.A flexible lower substrate;
A silicon upper substrate in contact with an upper portion of the flexible lower substrate, the source and drain regions being spaced apart at predetermined intervals;
A microfluidic channel passing through the silicon substrate between the source and drain regions, wherein a detection material for detecting a biologically active material is immobilized on the silicon substrate between the source and drain regions, wherein the silicon substrate is Flexible biosensor, characterized in that the crystallized.
상기 소스 및 드레인 영역은,
상기 실리콘 기판에 적층되며, 제 1형 불순물이 도핑된 도핑층을 상기 레이저로 조사하여 제 1형 불순물을 상기 실리콘 기판으로 확산되는 방식으로 형성된 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오센서.3. The method according to claim 1 or 2,
The source and drain regions,
A flexible biosensor, stacked on the silicon substrate, formed by dispersing a doping layer doped with a first type impurity with the laser to diffuse the first type impurity onto the silicon substrate.
상기 게이트 전극은 금을 포함하며, 상기 검출 물질은 금 결합 단백질 및 검출 단백질이 융합된 형태의 융합단백질인 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오센서.The method of claim 1,
The gate electrode includes gold, and the detection material is a flexible biosensor, characterized in that the fusion protein in the form of a fusion of the gold binding protein and the detection protein.
상기 플렉서블 바이오센서는 상기 게이트 전극을 지나는 미세유체 채널을 더 포함하며, 상기 미세유체 채널로 상기 검출 물질을 흘리는 방식으로 상기 검출 물질이 게이트 전극에 고정화되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오센서.The method of claim 1,
The flexible biosensor further comprises a microfluidic channel passing through the gate electrode, wherein the detection material is immobilized on the gate electrode in such a manner as to flow the detection material through the microfluidic channel.
상기 레이저는 엑시머 레이저인 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 바이오센서 제조방법.3. The method according to claim 1 or 2,
The laser is excimer laser, characterized in that the biosensor manufacturing method using a laser.
상기 제 1형 불순물은 n형 불순물인 것을 특징으로 하는 바이오센서.3. The method according to claim 1 or 2,
And said first type impurity is an n-type impurity.
상기 표적물질과 검출 물질 간의 결합에 따른 바이오센서의 전류 변화를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오센서를 이용한 검출 방법.A detection method using a biosensor according to claim 1, comprising: flowing a target material into a microfluidic channel passing through a gate electrode on a silicon substrate; And
And measuring a change in current of the biosensor according to the coupling between the target material and the detection material.
상기 표적물질과 검출 물질 간의 결합에 따른 바이오센서의 전류 변화를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오센서를 이용한 검출 방법A detection method using a biosensor according to claim 2, the method comprising: flowing a target material into a microfluidic channel between the source and drain regions; And
And measuring a change in current of the biosensor according to the coupling between the target material and the detection material.
상기 미세유체 채널은 하나 이상의 게이트 전극을 동시에 지나는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는, 바이오센서를 이용한 검출 방법.The method of claim 8,
The microfluidic channel is characterized in that passing through at least one gate electrode at the same time, the detection method using a biosensor.
상기 비정질의 제 1 실리콘층 상에 제 1형 불순물로 도핑된 도핑층을 적층하는 단계;
상기 도핑층을 패터닝하여, 소정 간격으로 이격된 소스 및 드레인 영역 도핑층을 형성하는 단계;
상기 제 1 실리콘층 및 소스 및 드레인 영역 도핑층에 레이저를 조사하여, 상기 제 1 실리콘층을 결정화시킴과 동시에, 상기 n형 도핑층의 불순물을 아래 제 1 실리콘층으로 확산시켜 상기 제 1 실리콘층에 소스 및 드레인 영역을 형성시키는 단계;
상기 제 1 실리콘층을 패터닝하여, 상기 소스 및 드레인 영역을 포함하는 실리콘 소자 기판을 형성하는 단계;
상기 소자 기판 상에 게이트 산화물층을 적층하여, 패터닝하여, 상기 소스 및 드레인 영역을 노출시키는 단계;
상기 게이트 산화물층 상에 금속층을 적층, 패터닝하여, 소스, 게이트 및 드레인 전극을 제조하는 단계; 및
상기 게이트 전극으로부터 연장된 게이트 전극 패드를 지나는 미세유체 채널을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 바이오센서 제조방법.Depositing an amorphous first silicon layer on the flexible substrate;
Stacking a doped layer doped with a first type impurity on the amorphous first silicon layer;
Patterning the doped layer to form source and drain region doped layers spaced at predetermined intervals;
The first silicon layer and the source and drain region doped layers are irradiated with a laser to crystallize the first silicon layer, and at the same time, the impurities of the n-type doped layer are diffused into the first silicon layer below. Forming source and drain regions in the trenches;
Patterning the first silicon layer to form a silicon device substrate including the source and drain regions;
Stacking and patterning a gate oxide layer on the device substrate to expose the source and drain regions;
Stacking and patterning a metal layer on the gate oxide layer to fabricate source, gate, and drain electrodes; And
And forming a microfluidic channel passing through the gate electrode pad extending from the gate electrode.
상기 하부 게이트 전극 및 플렉서블 기판상에 절연층을 적층하는 단계;
상기 절연층 상에 비정질의 제 1 실리콘층을 적층하는 단계;
상기 비정질의 제 1 실리콘층 상에 제 1형 불순물로 도핑된 도핑층을 적층하는 단계;
상기 도핑층을 패터닝하여, 소정 간격으로 이격된 소스 및 드레인 영역 도핑층을 형성하는 단계;
상기 제 1 실리콘층 및 소스 및 드레인 영역 도핑층에 레이저를 조사하여, 상기 제 1 실리콘층을 결정화시킴과 동시에, 상기 n형 도핑층의 불순물을 아래 제 1 실리콘층으로 확산시켜 상기 제 1 실리콘층에 소스 및 드레인 영역을 형성시키는 단계;
상기 소스 및 드레인 영역 상에 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 및
상기 소스 및 드레인 영역 사이의 실리콘 기판을 지나는 미세유체 채널을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 바이오센서 제조방법.Forming a lower gate electrode on the flexible substrate;
Stacking an insulating layer on the lower gate electrode and the flexible substrate;
Depositing an amorphous first silicon layer on the insulating layer;
Stacking a doped layer doped with a first type impurity on the amorphous first silicon layer;
Patterning the doped layer to form source and drain region doped layers spaced at predetermined intervals;
The first silicon layer and the source and drain region doped layers are irradiated with a laser to crystallize the first silicon layer, and at the same time, the impurities of the n-type doped layer are diffused into the first silicon layer below. Forming source and drain regions in the trenches;
Forming source and drain electrodes on the source and drain regions; And
And manufacturing a microfluidic channel passing through the silicon substrate between the source and drain regions.
상기 게이트 전극과 특이적으로 결합할 수 있는 생물학적 활성 물질을 상기 게이트 전극 패드를 지나는 상기 미세유체 채널로 흘림으로써 상기 생물학적 활성 물질을 상기 게이트 전극 패드에 고정시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 바이오센서 제조방법.12. The method of claim 11,
And securing the biologically active material to the gate electrode pad by flowing a biologically active material capable of specifically binding to the gate electrode to the microfluidic channel passing through the gate electrode pad. Biosensor manufacturing method using a laser.
실리콘 기판과 특이적으로 결합할 수 있는 생물학적 활성 물질을 상기 소스 및 드레인 영역 사이의 실리콘 기판을 지나는 미세유체 채널로 흘림으로써, 상기 생물학적 활성 물질을 상기 실리콘 기판에 고정시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 바이오센서 제조방법.The method of claim 12,
Securing the biologically active material to the silicon substrate by flowing a biologically active material capable of specifically binding to the silicon substrate into a microfluidic channel passing through the silicon substrate between the source and drain regions. A biosensor manufacturing method using a laser.
상기 제 1형 불순물은 n형 불순물인 것을 특징으로 하는 바이오센서 제조방법.The method of claim 11 or 12,
The first type impurity is a biosensor manufacturing method, characterized in that the n-type impurity.
상기 미세유체 채널 제조단계는 실리콘 기판, 소스 및 드레인 전극 상에 적층되며, 상기 소스 및 드레인 전극 사이의 실리콘 기판이 노출되는 패시베이션층을 적층하는 단계; 및
상기 패시베이션층 상에 적층되어, 상기 패시베이션층과 접합되는 상부 커버층을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 바이오센서 제조방법.The method of claim 12,
The manufacturing of the microfluidic channel may include stacking a passivation layer on the silicon substrate, the source and drain electrodes, and exposing the silicon substrate between the source and drain electrodes; And
Stacking on the passivation layer, comprising the step of laminating an upper cover layer bonded to the passivation layer, biosensor manufacturing method using a laser.
상기 상부 커버층에는 상기 미세유체 채널로 시료를 주입하거나, 배출할 수 있는 홀이 구비되는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 바이오센서 제조방법.17. The method of claim 16,
The upper cover layer is characterized in that a hole for injecting or discharging a sample into the microfluidic channel, characterized in that the biosensor manufacturing method using a laser.
Priority Applications (2)
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