정십자형 자기비드 감지 어레이 소자

정십자형 자기비드 감지 어레이 소자{Cross type magnetic array sensors for biomolecules magnetic bead detection}

본 발명은 생물분자 검출용 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수십 나노미터 크기부터 수 마이크로미터 크기의 자기 비드에서 발생하는 미약한 자기장을 감지하기 위해 자기저항박막을 이용한 정십자형 구조의 자기비드 감지 어레이 소자에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-074-03, 과제명: 나노 입자를 이용한 고성능 바이오 센서 시스템].

마이크로소자와 이를 이용한 어레이 소자는 DNA, RNA, 단백질, 바이러스, 세균 등의 분석에 큰 영향을 미치고 있다. 이러한 생물분자들의 효과적인 분석을 위하여 수십 nm 에서부터 수 um 크기를 갖는 구형의 자성체 입자(이하 "자기 비드"라고 칭함)를 이용하는 자기바이오센서에 대한 연구가 진행되어 왔다.

자기바이오센서는 특정한 분자와 결합할 수 있는 생화학층이 결합되어 있는 자기장 감지소자를 포함한다. 자기바이오센서는 생화학 분자들이 결합된 나노미터 내지는 마이크로미터 크기의 초상자성체 입자인 자기 비드를 사용하여 생물분자를 검출하고 분석한다. 자기 비드가 포함된 분석용액을 자기비드 감지소자의 위에 떨어뜨리면 자기비드 감지소자의 표면에 고정된 포획 생물분자와 자기비드 표면에 부착된 타겟 생물분자가 특정적으로 결합하게 된다. 이때, 외부 자기장을 자기 비드에 인가하여 자기 비드를 자화시키면 자기비드 감지소자는 자기 비드에서 발생하는 자기장을 감지하여 생물분자를 간접적으로 검출하게 된다.

이러한 자기비드의 감지는 도 1과 같이 직사각형 구조의 자기저항소자를 이용하는 구조(즉, 자기비드 감지소자)가 일반적이다. 도 1의 (a)는 평면도이고, 도 1의 (b)는 도 1의 (a)의 AA선의 단면도이다. 도 1에서, 참조부호 1은 Si/SiO ₂ 단결정의 기판이고, 참조부호 2는 기판(10)상에 형성된 직사각형의 자기저항소자이며, 참조부호 3은 자기저항소자(2)에 연결된 인가전류 전극이다.

종래의 직사각형 구조의 자기저항소자를 이용한 자기 비드 감지소자는, 양단 끝이 뽀쪽한 삼각형 구조를 갖는 직사각형 구조의 자기비드 감지소자와 어레이 구조(MC Tondra 미국특허 US6,875,621 B2), 끝이 반원형 구조를 갖는 직사각형 구조의 자기장 감지소자 (G. Li, et al. Journal of Applied Physics 93, 7557 (2003)), 직사각형 구조의 자기저항소자를 연결한 구조의 자기비드 감지소자구조(JC Rife, et al. Sensors and Actuators, A107, 209 (2003), 직사각형 구조 의 자기저항소자를 나선형을 갖도록 한 자기비드 감지소자 구조(J.Schotter, et al., Biosensors and Bioelectronics 19, 1149 (2004), 직사각형 구조의 자기저항소자를 U자형을 갖도록 한 자기비드 감지소자 구조(HA Ferreira et al. Journal of Applied Physics 99, 08P105 (2006)) 등이 제시되어 있다.

이 밖에 정십자형 구조를 갖는 자기저항소자가 제시되어 있다. 정십자형 자기저항소자를 이용한 자기메모리 소자용 자기장 감지소자(C. Ahn, et al., US 2007/0096228 A1)와 도 2와 같은 자기비드 감지용 자기저항소자(L. Ejsing, et al., Applied Physics Letters, V84,4279(2004))가 제시되어 있다. 도 2의 (a)는 평면도이고, 도 2의 (b)는 도 2의 (a)의 AA선의 단면도이다. 도 2에서, 참조부호 1은 Si/SiO ₂ 단결정의 기판이고, 참조부호 5는 기판(10)상에 형성된 정십자형의 자기저항소자이며, 참조부호 3은 자기저항소자(5)에 연결된 인가전류 전극이고, 참조부호 4는 자기저항소자(5)에 연결된 수직전압 측정전극이다.

이러한 기존의 직사각형 형태의 자기저항소자를 이용한 자기비드 감지소자는 인가전류방향으로 자기소자의 출력전압을 측정하는 자기비드 자기장 감지소자 구조를 사용하였다. 기존의 직사각형 형태의 자기저항소자를 이용한 자기비드 감지소자는 외부 자기장이 인가되면 항상 소자의 한쪽 끝에서 다른쪽 끝으로 한쪽 방향으로만 자화가 발생되었다. 이는 자기장이 소자 외부로 발생하는 표유필드(stray field)를 발생시켰다. 이로 인해, 신호잡음비가 낮고 자기비드 감지소자의 안정된 작동에 영향을 받게 되어 고밀도의 자기비드 감지소자로 사용하기에는 적합하지 않게 된다. 자기비드의 표유필드(stray field)에 의해 발생한 자기장에 의해 자기저항소자의 자화에 영향을 받고, 이러한 영향으로 인한 자기감지소자의 저항변화는 인가전류에 평행한 방향보다는 인가전류에 수직한 방향이 더 민감하게 변화됨을 알 수 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 사정을 감안하여 제안된 것으로, 고감도이며 고밀도의 자기바이오센서로 사용할 수 있는 다양한 형태의 구조를 갖는 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자는, 기판; 기판의 상면에 형성되되, 생물분자를 검출하기 위한 박막을 이용하여 형성된 다수개의 정십자형의 자기저항소자; 기판의 상면에 형성되되, 다수개의 정십자형의 자기저항소자와 연결된 전극 패드; 다수개의 정십자형의 자기저항소자와 전극 패드의 상부에 형성된 보호층; 보호층의 상면에 형성되어 생물분자를 고정시키는 생물분자 고정층; 및 생물분자 고정층을 둘러싸고, 둘러싼 영역내에 자기비드 분석용액을 가두는 자기비드 용기층을 포함한다.

본 발명의 다른 실시양태에 따른 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자는, 기판; 기판의 상면에 형성되되, 생물분자를 검출하기 위한 박막을 이용하여 형성된 다수개의 정십자형의 자기저항소자; 기판의 상면에 형성되되, 다수개의 정십자형의 자기저항소자와 연결된 전극 패드; 다수개의 정십자형의 자기저항소자와 전극 패드의 상부에 형성된 보호층; 보호층의 상면에 형성되어 생물분자를 고정시키는 생물 분자 고정층; 및 생물분자 고정층의 위에 형성되어, 자기비드 분석용액을 다수개의 정십자형 자기저항소자측으로 이동시키는 자기비드 분석 이동층을 포함한다.

상술한 실시양태들에서, 기판은 표면이 산화된 Si단결정 기판이다. 박막은 거대자기저항 박막, 스핀밸브 박막, 이방성 자기저항 박막중의 어느 하나이다. 박막은 씨드층, 반강자성체층, 고정층, 간격층, 자유층, 보호층이 차례로 형성된 것이다. 다수개의 정십자형의 자기저항소자의 각각은 100 nm ~ 100 μm크기를 갖는다.

상술한 실시앙태들에서, 다수개의 정십자형의 자기저항소자는 일렬로 나란히 각기 독립되게 배열된 일차원 어레이 형태로 기판상에 형성된다. 다르게는, 다수개의 정십자형의 자기저항소자는 서로 연결되어 일체화된 일차원 어레이 형태로 기판상에 형성된다. 또 다르게는, 다수개의 정십자형의 자기저항소자는 각기 독립되어 행렬 형태로 배열된 이차원 어레이 형태로 기판상에 형성된다. 또 다르게는, 다수개의 정십자형의 자기저항소자는 서로 연결되어 일체화된 이차원 어레이 형태로 기판상에 형성된다.

상술한 실시양태들에서, 전극 패드는 Ta 재질 또는 Au 재질로 된다. 전극 패드의 두께는 상온에서 50 ~ 300nm이다. 보호층은 SiO ₂ 또는 Si ₃ N ₄ 재질로 된다. 보 호층은 상온에서 50 ~ 300nm 의 두께로 형성된다. 생물분자 고정층은 Au 재질로 된다. 생물분자 고정층은 상온에서 50 ~ 300nm 의 두께로 형성된다.

자기비드 용기층은 광감응 박막을 이용하여 형성되고, 자기비드 용기층은 상온에서 1 ~ 5μm 의 두께로 형성된다.

자기비드 분석 이동층은 일측이 자기비드 용액 주입구와 연결되고 타측이 배출구와 연결된 소정 길이의 이동채널로 구성된다.

자기비드 분석 이동층은, PDMS, PMMA, SU-8 폴리머중 적어도 하나를 재질로 한다.

이러한 구성의 본 발명에 따르면, 인가전류방향에 수직으로 교차되는 수직방향의 출력전압을 측정할 수 있으므로, 기존의 인가전류방향에 평행한 방향의 출력전압을 측정하는 자기비드 감지소자에 비하여 고감도의 자기장변화를 측정할 수 있다. 그로 인해, 신호잡음비가 높은 자기비드 자기장 감지소자가 가능하다.

또한, 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자는 수직방향의 전압을 측정하기 때문에 자기장을 외부에서 인가함이 없이 인가전류에 의해 발생하는 인가전류 유도자기장에 의하여 자기비드를 자화시킬 수 있다. 이 자화필드는 수직전압에 민감하게 영향을 주기 때문에 외부인가 자기장이 불필요한 간편한 자기바이오센서를 구현할 수 있게 된다. 그에 따라, 본 발명의 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자를 이용하여 고밀도 및 고감도의 자기바이오센서의 제조가 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 채용되는 거대자기저항 박막의 적층구조를 나타낸 도면이다. 도 3의 (c)에서, 기판(1)은 Si 또는 SiO ₂ 단결정 기판이다. 기판(1)의 표면에는 SiO ₂ 산화층이 형성되어 있다. 기판(1)의 상면에는 씨드층/자유층/간격층/고정층/반강자성체층/보호층의 적층구조를 갖는 거대자기저항 박막(7)을 증착시킨다. 예를 들어, 씨드층(14)이 기판(1)의 상면에 적층되고, 반강자성체층(15)이 씨드층(14)의 상면에 적층된다. 고정층(16)이 반강자성체층(15)의 상면에 적층되고, 간격층(17)이 고정층(16)의 상면에 적층된다. 자유층(18)이 간격층(17)의 상면에 적층되고, 보호층(19)이 자유층(18)의 상면에 적층된다.

씨드층(14) 및 보호층(19)은 예를 들어 Ta막으로 구성되고, 각각의 두께는 대략 5 nm 정도이다. 반강자성체층(15)은 예를 들어 IrMn막으로 구성되고, 반강자성체층(15)의 두께는 대략 15 nm 정도이다. 고정층(16)은 예를 들어 Ni ₈₀ Fe ₂₀ 막으로 구성되고, 고정층(16)의 두께는 대략 3 nm 정도이다. 간격층(17)은 예를 들어 Cu막으로 구성되고, 간격층(17)의 두께는 대략 3 nm 정도이다. 자유층(18)은 예를 들어 Ni ₈₀ Fe ₂₀ 막으로 구성되고, 자유층(18)의 두께는 대략 6 nm 정도이다. 고정층(16)은 자화 방향이 고정되고, 반강자성체층(15)은 고정층(16)의 자화 방향을 고정하기 위한 것이다. 자유층(18)은 자화 방향이 고정되어 있지 않다.

이와 같은 적층구조 및 두께를 갖는 거대자기저항 박막(7)은 순차적인 스퍼터링 증착법으로 성장한다. 앞서 예시한 고정층(16)과 자유층(18)은 Ni ₈₀ Fe ₂₀ 막 대신에 Co ₈₀ Fe ₂₀ 막을 사용하여도 된다. 도 3의 (a)는 보호층(19)의 평면도이고, 도 3의 (b)는 거대자기저항 박막(7)의 고정층(16)과 자유층(18)을 나타낸 단면도이다. 거대자기저항 박막(7)의 적층순서를 앞서의 적층순서와 달리, 필요에 따라서는 씨드층 → 자유층 → 간격층 → 고정층 → 반강자성체층 → 보호층의 순서로 할 수도 있다.

이하의 도면에 도시되는 자기저항소자는 거대자기저항 박막(7)을 식각하여 원하는 형상으로 제조한 것이다. 이하의 도면에서는 자기저항소자를 도 3의 (b)에서와 같이 고정층(16) 및 자유층(18)을 포함하는 것으로 개략적으로 도시한다. 도 3의 고정층(16) 및 자유층(18)에 도시된 화살표는 자화도를 표시한 것이다. 한편, 자기저항소자는 거대자기저항 박막(7) 이외로 이방성 자기저항 박막, 스핀밸브 박막, 터널형 자기저항 박막 등을 이용하여 제조할 수도 있다. 바람직하게, 본 발명에서는 거대자기저항 박막(7) 이외로 스핀밸브 박막을 이용하여 자기저항소자를 제조할 수 있는 것으로 한다.

도 4는 거대자기저항 박막을 이용한 본 발명의 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자의 인가자기장과 전압 사이의 관계를 측정한 그래프이다.

0(Zero) 에르스텟(Oe) 근처의 자기장 영역에서 급격한 전압의 변화를 나타내 었다. 이러한 결과로부터 상술한 제조방법으로 제조된 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자는 극소의 크기를 갖는 미약한 자기장을 고감도로 감지할 수 있음을 알 수 있다.

(제 1실시예)

도 5 내지 도 14는 본 발명의 제 1실시예에 따른 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자의 구조 및 제조공정을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 도 5에서와 같이 기판(1)의 위에 거대자기저항 박막을 증착한 후 식각하여 정십자형 구조의 자기저항소자(20)를 다수개 어레이시킨다. 다시 말해서, 실리콘 단결정 기판(1)위에 20 nm ~ 50 nm 두께를 갖는 거대자기저항 박막으로 구성된 직경이 100 nm ~ 100 μm크기의 정십자형 구조의 자기저항 소자(20)를 다수개 어레이시킨다. 다수의 자기저항소자(20)는 상호 등간격을 유지하면서 일렬로 어레이된다. 즉, 일차원 어레이 구조라고 할 수 있다. 기판(1)은 Si단결정 기판으로 표면을 산화시켜 SiO ₂ 산화물층이 형성된 기판을 사용한다. 식각의 경우, 도 3의 (c)와 같은 거대자기저항 박막(7)에 대하여 Ar 가스이온 밀링법과 같은 건식 식각법이나 네거티브 광감응 마스크를 사용하여 리프트업 방법으로 정십자형태 부분을 제외하고 선택적으로 식각한다. 도 5에서, (a)는 평면도이고, 도 5의 (b)는 기판(1)과 다수의 자기저항소자(20)간의 설치형태를 보여주는 도면으로서 도 5의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 6에서와 같이, Au 재질의 금속박막층(22)을 기판(1)과 다수의 정십자형 자기저항소자(20)의 위에 광감응박막(24)을 매개로 증착시킨다. 예를 들어, 금속박막층(22)은 대략 3×10 ^-4 Torr 정도의 아르곤 가스압력과 대략 60W 정도의 스퍼터링 파워를 인가하여 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)로 스퍼터링 증착법으로 성장한다. 도 6의 (a)는 평면도이고, 도 6의 (b)는 금속박막층(22)이 증착된 상태를 보여주는 도면으로서 도 6의 (a)의 AA선의 단면도이다. 금속박막층(22)을 Ta 재질로 하여도 무방하다.

이어, 도 7에서와 같이, 수평 전극 패드(26a), 수직 전극 패드(26b), 연결 패드(26c)를 형성한다. 수평 전극 패드(26a)는 전류인가를 위한 전극으로 사용되고, 수직 전극 패드(26b)는 수직전압을 측정하기 위한 전극으로 사용된다, 연결 패드(26c)는 일렬로 형성된 다수의 자기저항소자(20)를 수평으로 서로 연결시킨다. 수평 전극 패드(26a)와 수직 전극 패드(26b) 및 연결 패드(26c)는 도 6의 금속박막층(22)에 대해 건식 식각법이나 네거티브 광감응 마스크를 사용하여 리프트 업 방법으로 전극 패드(26a, 26b) 및 연결 패드(26c)가 될 부위를 제외하고 나머지 부위를 제거하면 된다. 수평 전극 패드(26a)와 수직 전극 패드(26b) 및 연결 패드(26c)는 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)를 갖는다. 수평 전극 패드(26a)를 수평으로 서로 연장시켜 맞닿게 하였을 경우의 선과 수직 전극 패드(26b)를 상하로 서로 연장시켜 맞닿게 하였을 경우의 선은 수직하게 교차한다. 도 7의 (a)는 평면도이고, 도 7의 (b)는 전극 패드(26a, 26b) 및 연결 패드(26c)가 형성된 모습을 보여주는 도면으로서 도 7의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 8에서와 같이, 기판(1)과 자기저항소자(20)와 전극 패드(26a, 26b) 및 연결 패드(26c)의 위에 절연체 박막층(28)을 증착시킨다. 절연체 박막층(28)의 재질로는 SiO ₂ 또는 Si ₃ N ₄ 를 사용한다. 절연체 박막층(28)은 자기저항소자(20)와 전극 패드(26a, 26b) 및 연결 패드(26c)를 분석용액의 부식효과로부터 차단하기 위해 사용된다. 예를 들어 SiO ₂ 또는 Si ₃ N ₄ 의 절연체 박막층(28)은 상온에서 대략 3×10 ^-4 Torr 정도의 아르곤 가스압력과 대략 100W 정도의 스퍼터링 파워를 인가하여 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)로 스퍼터링 증착법으로 성장한다. 도 8의 (a)는 평면도이고, 도 8의 (b)는 절연체 박막층(28)이 형성된 모습을 보여주는 도면으로서 도 8의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 9에서와 같이, 절연체 박막층(28)을 부분적으로 제거하여 절연체 보호층(30)를 형성시킨다. Ar 가스이온 밀링법과 같은 건식 식각법이나 네거티브 광감응 마스크를 사용하여 리프트업 방법으로, 절연체 박막층(28)에서 절연체 보호층이 될 부위를 제외하고 나머지 부위를 제거하면 절연체 보호층(30)이 된다. 절연체 보호층(30)은 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)를 갖는다. 절연체 보호층(30)은 자기저항소자(20)와 전극 패드(26a, 26b) 및 연결 패드(26c)를 분석용액의 부식효과로부터 차단시키는 역할을 한다. 이러한 절연체 보호층(30)은 기존의 구조에는 없는 구성으로서, 배열되어 있는 다수 의 자기저항소자(20)와 다수의 전극 패드(26a, 26b) 및 연결 패드(26c)를 부식으로부터 보호해 주므로, 제품 신뢰성 향상에 도움을 준다. 도 9의 (a)는 평면도이고, 도 9의 (b)는 절연체 보호층(30)이 형성된 모습을 보여주는 도면으로서 도 9의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 10에서와 같이, 전극 패드(26a, 26b) 및 절연체 보호층(30)의 위에 광감응박막(24)을 매개로 Au 금속박막층(32)을 증착시킨다. Au 금속박막층(32)은 생물분자를 정십자형 자기저항소자(20)의 상부에 고정시키기 위한 생물분자 고정층을 만들기 위한 것이다. Au 금속박막층(32)을 상온에서 대략 3×10 ^-4 Torr 정도의 아르곤 가스압력과 대략 100W 정도의 스퍼터링 파워를 인가하여 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)로 스퍼터링 증착법으로 성장시킨다. 도 10의 (a)는 평면도이고, 도 10의 (b)는 Au 금속박막층(32)이 증착된 모습을 보여주는 도면으로서 도 10의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 11에서와 같이, Au 금속박막층(32)을 선택적으로 제거하여 생물분자 고정층(33)을 형성시킨다. Ar 가스이온 밀링법과 같은 건식식각법이나 네거티브 광감응 마스크를 사용하여 리프트업 방법으로, Au 금속박막층(32)에서 생물분자 고정층(33)이 될 부위를 제외하고 나머지 부위를 제거하면 생물분자 고정층(33)이 형성된다. 즉, 생물분자 고정층(33)은 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)를 갖는다. 이러한 생물분자 고정층(33)은 기존의 구조에는 없는 구성으로서, 생물분자의 고정이 보다 쉽고 정확하게 이루어질 수 있도 록 해주므로, 제품 신뢰성 향상에 도움을 준다. 도 11의 (a)는 평면도이고, 도 11의 (b)는 생물분자 고정층(33)이 형성된 모습을 보여주는 도면으로서 도 11의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 12에서와 같이, 전극 패드(26a, 26b)와 절연체 보호층(30) 및 생물분자 고정층(33)의 위에 광감응박막(24)을 증착시킨다. 도 12의 (a)는 평면도이고, 도 12의 (b)는 광감응박막(24)이 증착된 모습을 보여주는 도면으로서 도 12의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 13에서와 같이, 도 12의 광감응박막(24)을 선택적으로 제거하여 자기비드 용기층(34)을 형성시킨다. 자기비드 용기층(34)은 자기비드 분석용액(즉, 자기비드를 함유하는 분석용액)을 자기저항소자(20)에 가까이 위치하게 한다. 즉, 자기저항소자(20)의 둘레의 자기비드 용기층(34)은 자기비드 분석용액을 가두어 둔다. 자기비드 용기층(34)은 상온에서 대략 1 ~ 5μm 정도의 두께를 갖도록 스핀코팅법으로 형성된다. 자기비드 용기층(34)은 광 감응성 폴리머로 구성된다. 도 12의 광감응박막(24)에 대해 네거티브 광감응 마스크를 사용하여 리프트업 방법으로 자기비드 용기층(34)이 될 부위를 제외하여 선택적으로 제거하면 자기비드 용기층(34)이 형성된다. 이러한 자기비드 용기층(34)은 기존의 구조에는 없는 구성으로서, 자기저항소자(20)에서의 센싱을 보다 용이하게 해주므로, 제품 신뢰성 향상에 도움을 준다. 도 13의 (a)는 평면도이고, 도 13의 (b)는 자기비드 용기층(34)이 형성된 모습을 보여주는 도면으로서 도 13의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이상과 같은 공정으로 제조된 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자는 도 14에서와 같이, 자기비드 용기층(34)내에 자기비드 분석용액이 투입되면 자기비드 분석용액속의 자기비드(36)에 부착된 생물분자(38)와 생물분자 고정층(33) 위에 부착된 생물분자(40)가 특정적으로 결합되어 다수개의 정십자형 자기저항소자(20) 위에 고정된다. 외부의 인가 자기장에 의해 자기비드(36)가 자화되어 다수개의 정십자형 자기저항소자(20)가 자기비드(36)의 존재를 감지한다. 또는 인가전류에 의해 발생한 인가전류 유도 자기장에 의해 자화된 자기비드(36)가 자화되어 다수개의 정십자형 자기저항소자(20)가 자기비드(36)의 존재를 감지한다. 도 14에서, 미설명 부호 42는 자기비드 표유자기장이다.

도 15는 본 발명의 제 1실시예의 변형예를 나타낸 도면이다. 제 1실시예에서는 자기비드 분석용액을 자기저항소자(20)에 가까이 위치시키기 위해 자기비드 용기층(34)을 형성시켰으나, 제 1실시예에 대한 변형예에서는 자기비드 용기층(34) 대신에 자기비드 분석 이동층(후술함)을 사용하였다.

제 1실시예의 변형예는 기판(1)위에 성장한 일차원 배열의 정십자형 자기저항소자(20)와 전극 패드(26a, 26b) 및 연결 패드(26c)를 포함한다. 절연체 보호층(30)이 일차원 배열의 정십자형 자기저항소자(20) 전부와 전극 패드(26a, 26b)의 일부의 위에 증착되어 있다. 생물분자 고정층(33)이 절연체 보호층(30)의 위에 형성된다. 자기비드 용액 주입구(44)와 이동채널(46) 및 배출구(48)가 생물분자 고정층(33)의 위에 배치되는데, 일차원 배열의 정십자형 자기저항소자(20)의 배치위치 에 부합되게 배치된다. 즉, 이동채널(46)의 일측이 자기비드 용액 주입구(44)에 연결되고 이동채널(46)의 타측이 배출구(48)에 연결된다. 여기서, 자기비드 용액 주입구(44)와 이동채널(46) 및 배출구(48)를 자기비드 분석 이동층으로 통칭할 수 있다. 자기비드 분석 이동층은 PDMS, PMMA, SU-8 폴리머로 구성된다. 분석용액속의 자기비드(36)은 자기비드 용액 주입구(44)로 주입되어 이동채널(46)을 통하여 일차원 배열의 정십자형 자기저항소자(20)로 이동한다. 자기비드(36)에 부착된 생물분자(38)와 생물분자 고정층(33)에 고정된 생물분자(40)의 특정한 결합에 의해 일차원 배열의 정십자형 자기저항소자(20)의 출력전압이 변화된다. 그에 따라, 자기비드(36)의 존재를 감지하게 된다.

(제 2실시예)

도 16 내지 도 25는 본 발명의 제 2실시예에 따른 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자의 구조 및 제조공정을 설명하기 위한 도면이다. 제 2실시예는 제 1실시예와 비교하여 자기저항소자의 형태에서 차이난다. 즉, 제 1실시예에서는 다수개의 자기저항소자를 각각 정십자형으로 하여 각각 분리되게 나란히 일렬로 배치시켰으나, 제 2실시예에서는 일렬로 배치된 다수개의 정십자형 자기저항소자를 일체화되도록 서로 연결시켰다는 점이 차이난다. 한편, 제 2실시예에서는 제 1실시예의 연결 패드(26c)를 필요로 하지 않다는 점이 차이난다. 이하에서는 이러한 차이점에 근거하여, 제 2실시예에 따른 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자의 구조 및 제조공정을 설명한다. 그리고, 이하의 제 2실시예 설명에서는 제 1실시예와 동일한 구 성요소에 대해 가급적 동일한 참조부호를 부여하면서 설명한다.

먼저, 도 16에서와 같이 기판(1)의 위에 거대자기저항 박막을 증착한 후 식각하여 다수개의 정십자형 자기저항소자가 가로방향으로 일체화된 구조의 자기저항소자(50)를 형성시킨다. 다시 말해서, 실리콘 단결정 기판(1)위에 20 nm ~ 50 nm 두께를 갖는 거대자기저항 박막으로 구성된 직경이 100 nm ~ 100 μm크기의 정십자형 구조의 다수개의 자기저항 소자를 일체화시킨 형상의 자기저항소자(50)를 형성시킨다. 즉, 일차원 어레이 구조라고 할 수 있다. 기판(1)은 Si단결정 기판으로 표면을 산화시켜 SiO ₂ 산화물층이 형성된 기판을 사용한다. 식각의 경우, 도 3의 (c)와 같은 거대자기저항 박막(7)에 대하여 Ar 가스이온 밀링법과 같은 건식 식각법이나 네거티브 광감응 마스크를 사용하여 리프트업 방법으로 정십자형태 부분을 제외하고 선택적으로 식각한다. 도 16의 (a)는 평면도이고, 도 16의 (b)는 기판(1)과 자기저항소자(50)간의 설치형태를 보여주는 도면으로서 도 16의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 17에서와 같이, Au 재질의 금속박막층(22)을 기판(1)과 다수개의 정십자형 자기저항소자가 가로방향으로 일체화된 구조의 자기저항소자(50)의 위에 광감응박막(24)을 매개로 증착시킨다. 예를 들어, 금속박막층(22)은 대략 3×10 ^-4 Torr 정도의 아르곤 가스압력과 대략 60W 정도의 스퍼터링 파워를 인가하여 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)로 스퍼터링 증착법으로 성장한다. 도 17의 (a)는 평면도이고, 도 17의 (b)는 금속박막층(22)이 증착된 상태를 보여주는 도면으로서 도 17의 (a)의 AA선의 단면도이다. 금속박막층(22)을 Ta 재질로 하여도 무방하다.

이어, 도 18에서와 같이, 수평 전극 패드(26a)와 수직 전극 패드(26b)를 형성한다. 수평 전극 패드(26a)는 전류인가를 위한 전극으로 사용되고, 수직 전극 패드(26b)는 수직전압을 측정하기 위한 전극으로 사용된다, 수평 전극 패드(26a)와 수직 전극 패드(26b)는 도 17의 금속박막층(22)에 대해 건식 식각법이나 네거티브 광감응 마스크를 사용하여 리프트 업 방법으로 전극 패드(26a, 26b)가 될 부위를 제외하고 나머지 부위를 제거하면 된다. 수평 전극 패드(26a)와 수직 전극 패드(26b)는 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)를 갖는다. 수평 전극 패드(26a)를 수평으로 서로 연장시켜 맞닿게 하였을 경우의 선과 수직 전극 패드(26b)를 상하로 서로 연장시켜 맞닿게 하였을 경우의 선은 수직하게 교차한다. 도 18의 (a)는 평면도이고, 도 18의 (b)는 전극 패드(26a, 26b)가 형성된 모습을 보여주는 도면으로서 도 18의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 19에서와 같이, 기판(1)과 자기저항소자(50) 및 전극 패드(26a, 26b)의 위에 절연체 박막층(28)을 증착시킨다. 절연체 박막층(28)의 재질로는 SiO ₂ 또는 Si ₃ N ₄ 를 사용한다. 절연체 박막층(28)은 자기저항소자(50)와 전극 패드(26a, 26b)를 분석용액의 부식효과로부터 차단하기 위해 사용된다. 예를 들어 SiO ₂ 또는 Si ₃ N ₄ 의 절연체 박막층(28)은 상온에서 대략 3×10 ^-4 Torr 정도의 아르곤 가스압력 과 대략 100W 정도의 스퍼터링 파워를 인가하여 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)로 스퍼터링 증착법으로 성장한다. 도 19의 (a)는 평면도이고, 도 19의 (b)는 절연체 박막층(28)이 형성된 모습을 보여주는 도면으로서 도 19의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 20에서와 같이, 절연체 박막층(28)을 부분적으로 제거하여 절연체 보호층(30)를 형성시킨다. Ar 가스이온 밀링법과 같은 건식 식각법이나 네거티브 광감응 마스크를 사용하여 리프트업 방법으로, 절연체 박막층(28)에서 절연체 보호층이 될 부위를 제외하고 나머지 부위를 제거하면 절연체 보호층(30)이 된다. 절연체 보호층(30)은 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)를 갖는다. 절연체 보호층(30)은 자기저항소자(50)와 전극 패드(26a, 26b)를 분석용액의 부식효과로부터 차단하는 역할을 한다. 이러한 절연체 보호층(30)은 기존의 구조에는 없는 구성으로서, 자기저항소자(50)와 다수의 전극 패드(26a, 26b)를 부식으로부터 보호해 주므로, 제품 신뢰성 향상에 도움을 준다. 도 20의 (a)는 평면도이고, 도 20의 (b)는 절연체 보호층(30)이 형성된 모습을 보여주는 도면으로서 도 20의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 21에서와 같이, 전극 패드(26a, 26b) 및 절연체 보호층(30)의 위에 광감응박막(24)을 매개로 Au 금속박막층(32)을 증착시킨다. Au 금속박막층(32)은 생물분자를 자기저항소자(50)의 상부에 고정시키기 위한 생물분자 고정층을 만들기 위한 것이다. Au 금속박막층(32)을 상온에서 대략 3×10 ^-4 Torr 정도의 아르곤 가스 압력과 대략 100W 정도의 스퍼터링 파워를 인가하여 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)로 스퍼터링 증착법으로 성장시킨다. 도 21의 (a)는 평면도이고, 도 21의 (b)는 Au 금속박막층(32)이 증착된 모습을 보여주는 도면으로서 도 21의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 22에서와 같이, Au 금속박막층(32)을 선택적으로 제거하여 생물분자 고정층(33)을 형성시킨다. Ar 가스이온 밀링법과 같은 건식식각법이나 네거티브 광감응 마스크를 사용하여 리프트업 방법으로, Au 금속박막층(32)에서 생물분자 고정층(33)이 될 부위를 제외하고 나머지 부위를 제거하면 생물분자 고정층(33)이 형성된다. 즉, 생물분자 고정층(33)은 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)를 갖는다. 이러한 생물분자 고정층(33)은 기존의 구조에는 없는 구성으로서, 생물분자의 고정이 보다 쉽고 정확하게 이루어질 수 있도록 해주므로, 제품 신뢰성 향상에 도움을 준다. 도 22의 (a)는 평면도이고, 도 22의 (b)는 생물분자 고정층(33)이 형성된 모습을 보여주는 도면으로서 도 22의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 23에서와 같이, 전극 패드(26a, 26b)와 절연체 보호층(30) 및 생물분자 고정층(33)의 위에 광감응박막(24)을 증착시킨다. 도 23의 (a)는 평면도이고, 도 23의 (b)는 광감응박막(24)이 증착된 모습을 보여주는 도면으로서 도 23의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 24에서와 같이, 도 23의 광감응박막(24)을 선택적으로 제거하여 자기비드 용기층(34)을 형성시킨다. 자기비드 용기층(34)은 자기비드 분석용액(즉, 자기비드를 함유하는 분석용액)을 자기저항소자(50)에 가까이 위치하게 한다. 즉, 자기저항소자(50)의 둘레의 자기비드 용기층(34)은 자기비드 분석용액을 가두어 둔다. 자기비드 용기층(34)은 상온에서 대략 1 ~ 5μm 정도의 두께를 갖도록 스핀코팅법으로 형성된다. 자기비드 용기층(34)은 광 감응성 폴리머로 구성된다. 도 23의 광감응박막(24)에 대해 네거티브 광감응 마스크를 사용하여 리프트업 방법으로 자기비드 용기층(34)이 될 부위를 제외하여 선택적으로 제거하면 자기비드 용기층(34)이 형성된다. 이러한 자기비드 용기층(34)은 기존의 구조에는 없는 구성으로서, 자기저항소자(50)에서의 센싱을 보다 용이하게 해주므로, 제품 신뢰성 향상에 도움을 준다. 도 24의 (a)는 평면도이고, 도 24의 (b)는 자기비드 용기층(34)이 형성된 모습을 보여주는 도면으로서 도 24의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이상과 같은 공정으로 제조된 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자는 도 25에서와 같이, 자기비드 용기층(34)내에 자기비드 분석용액이 투입되면 자기비드 분석용액속의 자기비드(36)에 부착된 생물분자(38)와 생물분자 고정층(33) 위에 부착된 생물분자(40)가 특정적으로 결합되어 다수개의 정십자형 자기저항소자가 가로방향으로 일체화된 구조의 자기저항소자(50) 위에 고정된다. 외부의 인가 자기장에 의해 자기비드(36)가 자화되어 자기저항소자(50)가 자기비드(36)의 존재를 감지한다. 또는 인가전류에 의해 발생한 인가전류 유도 자기장에 의해 자화된 자기비드(36)가 자화되어 자기저항소자(50)가 자기비드(36)의 존재를 감지한다.

도 26은 본 발명의 제 2실시예의 변형예를 나타낸 도면이다. 제 2실시예에서는 자기비드 분석용액을 자기저항소자(50)에 가까이 위치시키기 위해 자기비드 용기층(34)을 형성시켰으나, 제 2실시예의 변형예에서는 자기비드 용기층(34) 대신에 자기비드 분석 이동층(후술함)을 사용하였다.

제 2실시예의 변형예는 기판(1)위에 성장한 자기저항소자(50)와 전극 패드(26a, 26b)를 포함한다. 절연체 보호층(30)이 자기저항소자(50) 전부와 전극 패드(26a, 26b)의 일부의 위에 증착되어 있다. 생물분자 고정층(33)이 절연체 보호층(30)의 위에 형성된다. 자기비드 용액 주입구(44)와 이동채널(46) 및 배출구(48)가 생물분자 고정층(33)의 위에 배치되는데, 자기저항소자(50)의 배치위치(즉, 일체화된 다수개의 자기저항소자를 한 개씩 단위소자별로 구획하였을 경우에 각각의 자기저항소자의 위치)에 부합되게 배치된다. 즉, 이동채널(46)의 일측이 자기비드 용액 주입구(44)에 연결되고 이동채널(46)의 타측이 배출구(48)에 연결된다. 여기서, 자기비드 용액 주입구(44)와 이동채널(46) 및 배출구(48)를 자기비드 분석 이동층으로 통칭할 수 있다. 자기비드 분석 이동층은 PDMS, PMMA, SU-8 폴리머로 구성된다. 분석용액속의 자기비드(36)은 자기비드 용액 주입구(44)로 주입되어 이동채널(46)을 통하여 자기저항소자(50)로 이동한다. 자기비드(36)에 부착된 생물분자(38)와 생물분자 고정층(33)에 고정된 생물분자(40)의 특정한 결합에 의해 자기저항소자(50)의 출력전압이 변화된다. 그에 따라, 자기비드(36)의 존재를 감지하게 된다.

(제 3실시예)

도 27 내지 도 36은 본 발명의 제 3실시예에 따른 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자의 구조 및 제조공정을 설명하기 위한 도면이다. 제 1실시예에서는 다수개의 정십자형 구조의 자기저항소자를 일차원 어레이로 형성시켰으나, 제 3실시예는 다수개의 정십자형 구조의 자기저항소자를 이차원 어레이로 형성시켰다는 점이 차이난다. 이하에서는 이러한 차이점에 근거하여, 제 3실시예에 따른 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자의 구조 및 제조공정을 설명한다. 그리고, 이하의 제 3실시예 설명에서는 제 1실시예와 동일한 구성요소에 대해 가급적 동일한 참조부호를 부여하면서 설명한다.

먼저, 도 27에서와 같이 기판(1)의 위에 거대자기저항 박막을 증착한 후 식각하여 정십자형 구조의 자기저항소자(20)를 다수개 어레이시킨다. 다시 말해서, 실리콘 단결정 기판(1)위에 20 nm ~ 50 nm 두께를 갖는 거대자기저항 박막으로 구성된 직경이 100 nm ~ 100 μm크기의 정십자형 구조의 자기저항 소자(20)를 다수개 어레이시킨다. 다수의 자기저항소자(20)는 상호 등간격을 유지하면서 행렬 형태로 어레이된다. 즉, 이차원 어레이 구조라고 할 수 있다. 기판(1)은 Si단결정 기판으로 표면을 산화시켜 SiO ₂ 산화물층이 형성된 기판을 사용한다. 식각의 경우, 도 3의 (c)와 같은 거대자기저항 박막(7)에 대하여 Ar 가스이온 밀링법과 같은 건식 식각법이나 네거티브 광감응 마스크를 사용하여 리프트업 방법으로 정십자형태 부분을 제외하고 선택적으로 식각한다. 도 27의 (a)는 평면도이고, 도 27의 (b)는 기판(1) 과 이차원 어레이의 자기저항소자(20)간의 설치형태를 보여주는 도면으로서 도 27의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 28에서와 같이, Au 재질의 금속박막층(22)을 기판(1)과 이차원 어레이의 자기저항소자(20)의 위에 광감응박막(24)을 매개로 증착시킨다. 예를 들어, 금속박막층(22)은 대략 3×10 ^-4 Torr 정도의 아르곤 가스압력과 대략 60W 정도의 스퍼터링 파워를 인가하여 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)로 스퍼터링 증착법으로 성장한다. 도 28의 (a)는 평면도이고, 도 28의 (b)는 금속박막층(22)이 증착된 상태를 보여주는 도면으로서 도 28의 (a)의 AA선의 단면도이다. 금속박막층(22)을 Ta 재질로 하여도 무방하다.

이어, 도 29에서와 같이, 수평 전극 패드(26a), 수직 전극 패드(26b), 연결 패드(26c)를 형성한다. 수평 전극 패드(26a)는 전류인가를 위한 전극으로 사용되고, 수직 전극 패드(26b)는 수직전압을 측정하기 위한 전극으로 사용된다, 연결 패드(26c)는 이차원 어레이의 자기저항소자(20)를 수평 및 수직으로 서로 연결시킨다. 수평 전극 패드(26a)와 수직 전극 패드(26b) 및 연결 패드(26c)는 도 28의 금속박막층(22)에 대해 건식 식각법이나 네거티브 광감응 마스크를 사용하여 리프트 업 방법으로 전극 패드(26a, 26b) 및 연결 패드(26c)가 될 부위를 제외하고 나머지 부위를 제거하면 된다. 수평 전극 패드(26a)와 수직 전극 패드(26b) 및 연결 패드(26c)는 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)를 갖는다. 수평 전극 패드(26a)를 수평으로 서로 연장시켜 맞닿게 하였을 경우 의 선과 수직 전극 패드(26b)를 상하로 서로 연장시켜 맞닿게 하였을 경우의 선은 수직하게 교차한다. 도 29의 (a)는 평면도이고, 도 29의 (b)는 전극 패드(26a, 26b) 및 연결 패드(26c)가 형성된 모습을 보여주는 도면으로서 도 29의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 30에서와 같이, 기판(1)과 이차원 어레이의 자기저항소자(20)와 전극 패드(26a, 26b) 및 연결 패드(26c)의 위에 절연체 박막층(28)을 증착시킨다. 절연체 박막층(28)의 재질로는 SiO ₂ 또는 Si ₃ N ₄ 를 사용한다. 절연체 박막층(28)은 자기저항소자(20)와 전극 패드(26a, 26b) 및 연결 패드(26c)를 분석용액의 부식효과로부터 차단하기 위해 사용된다. 예를 들어 SiO ₂ 또는 Si ₃ N ₄ 의 절연체 박막층(28)은 상온에서 대략 3×10 ^-4 Torr 정도의 아르곤 가스압력과 대략 100W 정도의 스퍼터링 파워를 인가하여 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)로 스퍼터링 증착법으로 성장한다. 도 30의 (a)는 평면도이고, 도 30의 (b)는 절연체 박막층(28)이 형성된 모습을 보여주는 도면으로서 도 30의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 31에서와 같이, 절연체 박막층(28)을 부분적으로 제거하여 절연체 보호층(30)를 형성시킨다. Ar 가스이온 밀링법과 같은 건식 식각법이나 네거티브 광감응 마스크를 사용하여 리프트업 방법으로, 절연체 박막층(28)에서 절연체 보호층이 될 부위를 제외하고 나머지 부위를 제거하면 절연체 보호층(30)이 된다. 절연체 보호층(30)은 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정 도의 두께)를 갖는다. 절연체 보호층(30)은 자기저항소자(20)와 전극 패드(26a, 26b) 및 연결 패드(26c)를 분석용액의 부식효과로부터 차단시키는 역할을 한다. 이러한 절연체 보호층(30)은 기존의 구조에는 없는 구성으로서, 배열되어 있는 다수의 자기저항소자(20)와 다수의 전극 패드(26a, 26b) 및 연결 패드(26c)를 부식으로 부터 보호해 주므로, 제품 신뢰성 향상에 도움을 준다. 도 31의 (a)는 평면도이고, 도 31의 (b)는 절연체 보호층(30)이 형성된 모습을 보여주는 도면으로서 도 31의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 32에서와 같이, 전극 패드(26a, 26b) 및 절연체 보호층(30)의 위에 광감응박막(24)을 매개로 Au 금속박막층(32)을 증착시킨다. Au 금속박막층(32)은 생물분자를 이차원 어레이의 자기저항소자(20)의 상부에 고정시키기 위한 생물분자 고정층을 만들기 위한 것이다. Au 금속박막층(32)을 상온에서 대략 3×10 ^-4 Torr 정도의 아르곤 가스압력과 대략 100W 정도의 스퍼터링 파워를 인가하여 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)로 스퍼터링 증착법으로 성장시킨다. 도 32의 (a)는 평면도이고, 도 32의 (b)는 Au 금속박막층(32)이 증착된 모습을 보여주는 도면으로서 도 32의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 33에서와 같이, Au 금속박막층(32)을 선택적으로 제거하여 생물분자 고정층(33)을 형성시킨다. Ar 가스이온 밀링법과 같은 건식식각법이나 네거티브 광감응 마스크를 사용하여 리프트업 방법으로, Au 금속박막층(32)에서 생물분자 고정층(33)이 될 부위를 제외하고 나머지 부위를 제거하면 생물분자 고정층(33)이 형 성된다. 즉, 생물분자 고정층(33)은 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)를 갖는다. 이러한 생물분자 고정층(33)은 기존의 구조에는 없는 구성으로서, 생물분자의 고정이 보다 쉽고 정확하게 이루어질 수 있도록 해주므로, 제품 신뢰성 향상에 도움을 준다. 도 33의 (a)는 평면도이고, 도 33의 (b)는 생물분자 고정층(33)이 형성된 모습을 보여주는 도면으로서 도 33의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 34에서와 같이, 전극 패드(26a, 26b)와 절연체 보호층(30) 및 생물분자 고정층(33)의 위에 광감응박막(24)을 증착시킨다. 도 34의 (a)는 평면도이고, 도 34의 (b)는 광감응박막(24)이 증착된 모습을 보여주는 도면으로서 도 34의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 35에서와 같이, 도 34의 광감응박막(24)을 선택적으로 제거하여 자기비드 용기층(34)을 형성시킨다. 자기비드 용기층(34)은 자기비드 분석용액(즉, 자기비드를 함유하는 분석용액)을 자기저항소자(20)에 가까이 위치하게 한다. 즉, 자기저항소자(20)의 둘레의 자기비드 용기층(34)은 자기비드 분석용액을 가두어 둔다. 자기비드 용기층(34)은 상온에서 대략 1 ~ 5μm 정도의 두께를 갖도록 스핀코팅법으로 형성된다. 자기비드 용기층(34)은 광 감응성 폴리머로 구성된다. 도 34의 광감응박막(24)에 대해 네거티브 광감응 마스크를 사용하여 리프트업 방법으로 자기비드 용기층(34)이 될 부위를 제외하여 선택적으로 제거하면 자기비드 용기층(34)이 형성된다. 이러한 자기비드 용기층(34)은 기존의 구조에는 없는 구성으로서, 자기저항소자(20)에서의 센싱을 보다 용이하게 해주므로, 제품 신뢰성 향상에 도움을 준다. 도 35의 (a)는 평면도이고, 도 35의 (b)는 자기비드 용기층(34)이 형성된 모습을 보여주는 도면으로서 도 35의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이상과 같은 공정으로 제조된 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자는 도 36에서와 같이, 자기비드 용기층(34)내에 자기비드 분석용액이 투입되면 자기비드 분석용액속의 자기비드(36)에 부착된 생물분자(38)와 생물분자 고정층(33) 위에 부착된 생물분자(40)가 특정적으로 결합되어 이차원 어레이의 정십자형 자기저항소자(20) 위에 고정된다. 외부의 인가 자기장에 의해 자기비드(36)가 자화되어 이차원 어레이의 정십자형 자기저항소자(20)가 자기비드(36)의 존재를 감지한다. 또는 인가전류에 의해 발생한 인가전류 유도 자기장에 의해 자화된 자기비드(36)가 자화되어 이차원 어레이의 정십자형 자기저항소자(20)가 자기비드(36)의 존재를 감지한다.

도 37은 본 발명의 제 3실시예의 변형예를 나타낸 도면이다. 제 3실시예에서는 자기비드 분석용액을 이차원 어레이의 자기저항소자(20)에 가까이 위치시키기 위해 자기비드 용기층(34)을 형성시켰으나, 제 3실시예에 대한 변형예에서는 자기비드 용기층(34) 대신에 자기비드 분석 이동층(후술함)을 사용하였다.

제 3실시예의 변형예는 기판(1)위에 성장한 이차원 배열의 정십자형 자기저항소자(20)와 전극 패드(26a, 26b) 및 연결 패드(26c)를 포함한다. 절연체 보호층(30)이 이차원 배열의 정십자형 자기저항소자(20) 전부와 전극 패드(26a, 26b)의 일부의 위에 증착되어 있다. 생물분자 고정층(33)이 절연체 보호층(30)의 위에 형성된다. 자기비드 용액 주입구(44)와 이동채널(46) 및 배출구(48)가 생물분자 고정층(33)의 위에 배치되는데, 예를 들어 이차원 배열의 정십자형 자기저항소자(20)에 대해 세로방향으로 배치된다. 즉, 이동채널(46)의 일측이 자기비드 용액 주입구(44)에 연결되고 이동채널(46)의 타측이 배출구(48)에 연결된다. 여기서, 자기비드 용액 주입구(44)와 이동채널(46) 및 배출구(48)를 자기비드 분석 이동층으로 통칭할 수 있다. 자기비드 분석 이동층은 PDMS, PMMA, SU-8 폴리머로 구성된다. 분석용액속의 자기비드(36)은 자기비드 용액 주입구(44)로 주입되어 이동채널(46)을 통하여 이차원 배열의 정십자형 자기저항소자(20)로 이동한다. 자기비드(36)에 부착된 생물분자(38)와 생물분자 고정층(33)에 고정된 생물분자(40)의 특정한 결합에 의해 이차원 배열의 정십자형 자기저항소자(20)의 출력전압이 변화된다. 그에 따라, 자기비드(36)의 존재를 감지하게 된다.

(제 4실시예)

도 38 내지 도 47은 본 발명의 제 4실시예에 따른 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자의 구조 및 제조공정을 설명하기 위한 도면이다. 제 4실시예는 제 2실시예의 자기저항소자를 여러개 연결시킨 것으로 볼 수 있다. 즉, 제 2실시예에서는 일렬로 배치된 다수개의 정십자형 자기저항소자를 일체화시켰는데(즉, 일차원 어레이 구조로 볼 수 있음), 제 4실시예에서는 제 2실시예의 일차원 형태의 일체화 구조를 이차원 형태의 일체화 구조로 하였다는 점이 차이난다. 이하에서는 이러한 차 이점에 근거하여, 제 4실시예에 따른 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자의 구조 및 제조공정을 설명한다. 그리고, 이하의 제 4실시예 설명에서는 제 2실시예와 동일한 구성요소에 대해 가급적 동일한 참조부호를 부여하면서 설명한다.

먼저, 도 38에서와 같이 기판(1)의 위에 거대자기저항 박막을 증착한 후 식각하여 다수개의 정십자형 자기저항소자가 가로 및 세로 방향으로 일체화된 구조의 자기저항소자(60)를 형성시킨다. 다시 말해서, 실리콘 단결정 기판(1)위에 20 nm ~ 50 nm 두께를 갖는 거대자기저항 박막으로 구성된 직경이 100 nm ~ 100 μm크기의 정십자형 구조의 다수개의 자기저항 소자를 일체화시킨 형상인 이차원 배열의 자기저항소자(60)를 형성시킨다. 즉, 이차원 어레이 구조라고 할 수 있다. 기판(1)은 Si단결정 기판으로 표면을 산화시켜 SiO ₂ 산화물층이 형성된 기판을 사용한다. 식각의 경우, 도 3의 (c)와 같은 거대자기저항 박막(7)에 대하여 Ar 가스이온 밀링법과 같은 건식 식각법이나 네거티브 광감응 마스크를 사용하여 리프트업 방법으로 정십자형태 부분을 제외하고 선택적으로 식각한다. 도 38의 (a)는 평면도이고, 도 38의 (b)는 기판(1)과 자기저항소자(60)간의 설치형태를 보여주는 도면으로서 도 38의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 39에서와 같이, Au 재질의 금속박막층(22)을 기판(1)과 다수개의 정십자형 자기저항소자가 가로 및 세로 방향으로 일체화된 구조의 자기저항소자(60)의 위에 광감응박막(24)을 매개로 증착시킨다. 예를 들어, 금속박막층(22)은 대략 3×10 ^-4 Torr 정도의 아르곤 가스압력과 대략 60W 정도의 스퍼터링 파워를 인 가하여 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)로 스퍼터링 증착법으로 성장한다. 도 39의 (a)는 평면도이고, 도 39의 (b)는 금속박막층(22)이 증착된 상태를 보여주는 도면으로서 도 39의 (a)의 AA선의 단면도이다. 금속박막층(22)을 Ta 재질로 하여도 무방하다.

이어, 도 40에서와 같이, 수평 전극 패드(26a)와 수직 전극 패드(26b)를 형성한다. 수평 전극 패드(26a)는 전류인가를 위한 전극으로 사용되고, 수직 전극 패드(26b)는 수직전압을 측정하기 위한 전극으로 사용된다, 수평 전극 패드(26a)와 수직 전극 패드(26b)는 도 39의 금속박막층(22)에 대해 건식 식각법이나 네거티브 광감응 마스크를 사용하여 리프트 업 방법으로 전극 패드(26a, 26b)가 될 부위를 제외하고 나머지 부위를 제거하면 된다. 수평 전극 패드(26a)와 수직 전극 패드(26b)는 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)를 갖는다. 수평 전극 패드(26a)를 수평으로 서로 연장시켜 맞닿게 하였을 경우의 선과 수직 전극 패드(26b)를 상하로 서로 연장시켜 맞닿게 하였을 경우의 선은 수직하게 교차한다. 도 40의 (a)는 평면도이고, 도 40의 (b)는 전극 패드(26a, 26b)가 형성된 모습을 보여주는 도면으로서 도 40의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 41에서와 같이, 기판(1)과 자기저항소자(60) 및 전극 패드(26a, 26b)의 위에 절연체 박막층(28)을 증착시킨다. 절연체 박막층(28)의 재질로는 SiO ₂ 또는 Si ₃ N ₄ 를 사용한다. 절연체 박막층(28)은 자기저항소자(60)와 전극 패드(26a, 26b)를 분석용액의 부식효과로부터 차단하기 위해 사용된다. 예를 들어 SiO ₂ 또는 Si ₃ N ₄ 의 절연체 박막층(28)은 상온에서 대략 3×10 ^-4 Torr 정도의 아르곤 가스압력과 대략 100W 정도의 스퍼터링 파워를 인가하여 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)로 스퍼터링 증착법으로 성장한다. 도 41의 (a)는 평면도이고, 도 41의 (b)는 절연체 박막층(28)이 형성된 모습을 보여주는 도면으로서 도 41의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 42에서와 같이, 절연체 박막층(28)을 부분적으로 제거하여 절연체 보호층(30)를 형성시킨다. Ar 가스이온 밀링법과 같은 건식 식각법이나 네거티브 광감응 마스크를 사용하여 리프트업 방법으로, 절연체 박막층(28)에서 절연체 보호층이 될 부위를 제외하고 나머지 부위를 제거하면 절연체 보호층(30)이 된다. 절연체 보호층(30)은 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)를 갖는다. 절연체 보호층(30)은 자기저항소자(60)와 전극 패드(26a, 26b)를 분석용액의 부식효과로부터 차단하는 역할을 한다. 이러한 절연체 보호층(30)은 기존의 구조에는 없는 구성으로서, 자기저항소자(60)와 다수의 전극 패드(26a, 26b)를 부식으로부터 보호해 주므로, 제품 신뢰성 향상에 도움을 준다. 도 42의 (a)는 평면도이고, 도 42의 (b)는 절연체 보호층(30)이 형성된 모습을 보여주는 도면으로서 도 42의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 43에서와 같이, 전극 패드(26a, 26b) 및 절연체 보호층(30)의 위에 광감응박막(24)을 매개로 Au 금속박막층(32)을 증착시킨다. Au 금속박막층(32)은 생물분자를 자기저항소자(60)의 상부에 고정시키기 위한 생물분자 고정층을 만들기 위한 것이다. Au 금속박막층(32)을 상온에서 대략 3×10 ^-4 Torr 정도의 아르곤 가스압력과 대략 100W 정도의 스퍼터링 파워를 인가하여 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)로 스퍼터링 증착법으로 성장시킨다. 도 43의 (a)는 평면도이고, 도 43의 (b)는 Au 금속박막층(32)이 증착된 모습을 보여주는 도면으로서 도 43의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 44에서와 같이, Au 금속박막층(32)을 선택적으로 제거하여 생물분자 고정층(33)을 형성시킨다. Ar 가스이온 밀링법과 같은 건식식각법이나 네거티브 광감응 마스크를 사용하여 리프트업 방법으로, Au 금속박막층(32)에서 생물분자 고정층(33)이 될 부위를 제외하고 나머지 부위를 제거하면 생물분자 고정층(33)이 형성된다. 즉, 생물분자 고정층(33)은 상온에서 대략 50 ~ 300nm 정도의 두께(바람직하게는, 150 nm 정도의 두께)를 갖는다. 이러한 생물분자 고정층(33)은 기존의 구조에는 없는 구성으로서, 생물분자의 고정이 보다 쉽고 정확하게 이루어질 수 있도록 해주므로, 제품 신뢰성 향상에 도움을 준다. 도 44의 (a)는 평면도이고, 도 44의 (b)는 생물분자 고정층(33)이 형성된 모습을 보여주는 도면으로서 도 44의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 45에서와 같이, 전극 패드(26a, 26b)와 절연체 보호층(30) 및 생물분자 고정층(33)의 위에 광감응박막(24)을 증착시킨다. 도 45의 (a)는 평면도이고, 도 45의 (b)는 광감응박막(24)이 증착된 모습을 보여주는 도면으로서 도 45의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이어, 도 46에서와 같이, 도 45의 광감응박막(24)을 선택적으로 제거하여 자기비드 용기층(34)을 형성시킨다. 자기비드 용기층(34)은 자기비드 분석용액(즉, 자기비드를 함유하는 분석용액)을 자기저항소자(60)에 가까이 위치하게 한다. 즉, 자기저항소자(60)의 둘레의 자기비드 용기층(34)은 자기비드 분석용액을 가두어 둔다. 자기비드 용기층(34)은 상온에서 대략 1 ~ 5μm 정도의 두께를 갖도록 스핀코팅법으로 형성된다. 자기비드 용기층(34)은 광 감응성 폴리머로 구성된다. 도 45의 광감응박막(24)에 대해 네거티브 광감응 마스크를 사용하여 리프트업 방법으로 자기비드 용기층(34)이 될 부위를 제외하여 선택적으로 제거하면 자기비드 용기층(34)이 형성된다. 이러한 자기비드 용기층(34)은 기존의 구조에는 없는 구성으로서, 자기저항소자(60)에서의 센싱을 보다 용이하게 해주므로, 제품 신뢰성 향상에 도움을 준다. 도 46의 (a)는 평면도이고, 도 46의 (b)는 자기비드 용기층(34)이 형성된 모습을 보여주는 도면으로서 도 46의 (a)의 AA선의 단면도이다.

이상과 같은 공정으로 제조된 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자는 도 47에서와 같이, 자기비드 용기층(34)내에 자기비드 분석용액이 투입되면 자기비드 분석용액속의 자기비드(36)에 부착된 생물분자(38)와 생물분자 고정층(33) 위에 부착된 생물분자(40)가 특정적으로 결합되어 다수개의 정십자형 자기저항소자가 가로 및 세로 방향으로 일체화된 구조의 자기저항소자(60) 위에 고정된다. 외부의 인가 자기장에 의해 자기비드(36)가 자화되어 자기저항소자(60)가 자기비드(36)의 존재를 감지한다. 또는 인가전류에 의해 발생한 인가전류 유도 자기장에 의해 자화된 자기비드(36)가 자화되어 자기저항소자(60)가 자기비드(36)의 존재를 감지한다.

도 48은 본 발명의 제 4실시예의 변형예를 나타낸 도면이다. 제 4실시예에서는 자기비드 분석용액을 자기저항소자(50)에 가까이 위치시키기 위해 자기비드 용기층(34)을 형성시켰으나, 제 4실시예의 변형예에서는 자기비드 용기층(34) 대신에 자기비드 분석 이동층(후술함)을 사용하였다.

제 4실시예의 변형예는 기판(1)위에 성장한 자기저항소자(60)와 전극 패드(26a, 26b)를 포함한다. 절연체 보호층(30)이 자기저항소자(60) 전부와 전극 패드(26a, 26b)의 일부의 위에 증착되어 있다. 생물분자 고정층(33)이 절연체 보호층(30)의 위에 형성된다. 자기비드 용액 주입구(44)와 이동채널(46) 및 배출구(48)가 생물분자 고정층(33)의 위에 배치되는데, 자기저항소자(60)의 배치위치(즉, 일체화된 다수개의 자기저항소자를 한 개씩 단위소자별로 구획하였을 경우에 각각의 자기저항소자의 위치)에 부합되게 배치된다. 즉, 이동채널(46)의 일측이 자기비드 용액 주입구(44)에 연결되고 이동채널(46)의 타측이 배출구(48)에 연결된다. 여기서, 자기비드 용액 주입구(44)와 이동채널(46) 및 배출구(48)를 자기비드 분석 이동층으로 통칭할 수 있다. 자기비드 분석 이동층은 PDMS, PMMA, SU-8 폴리머로 구성된다. 분석용액속의 자기비드(36)은 자기비드 용액 주입구(44)로 주입되어 이동채널(46)을 통하여 자기저항소자(60)로 이동한다. 자기비드(36)에 부착된 생물분자(38)와 생물분자 고정층(33)에 고정된 생물분자(40)의 특정한 결합에 의해 자기저항소자(60)의 출력전압이 변화된다. 그에 따라, 자기비드(36)의 존재를 감지하게 된다.

한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

도 1은 종래의 직사각형 자기저항소자를 이용한 자기비드 감지소자를 나타낸 도면이다.

도 2는 종래의 정십자형 자기저항소자를 이용한 자기비드 감지소자를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명에 채용되는 거대자기저항 박막의 적층구조를 나타낸 도면이다.

도 4는 거대자기저항 박막을 이용한 본 발명의 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자의 인가자기장과 전압 사이의 관계를 측정한 그래프이다.

도 5 내지 도 14는 본 발명의 제 1실시예에 따른 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자의 구조 및 제조공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 15는 본 발명의 제 1실시예의 변형예를 나타낸 도면이다.

도 16 내지 도 25는 본 발명의 제 2실시예에 따른 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자의 구조 및 제조공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 26은 본 발명의 제 2실시예의 변형예를 나타낸 도면이다.

도 27 내지 도 36은 본 발명의 제 3실시예에 따른 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자의 구조 및 제조공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 37은 본 발명의 제 3실시예의 변형예를 나타낸 도면이다.

도 38 내지 도 47은 본 발명의 제 4실시예에 따른 정십자형 자기비드 감지 어레이 소자의 구조 및 제조공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 48은 본 발명의 제 4실시예의 변형예를 나타낸 도면이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 기판 20 : 자기저항소자

22, 32 : 금속박막층 24 : 광감응 박막

26a : 수평 전극 패드 26b : 수직 전극 패드

26c : 연결 패드 28 : 절연체 박막층

30 : 절연체 보호층 33 : 생물분자 고정층

34 : 자기비드 용기층 36 : 자기비드

44 : 자기비드 주입구 46 : 이동채널

48 : 배출구