(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-03-28
(45)【発行日】2023-04-05
(54)【発明の名称】バイオセンシング装置
(51)【国際特許分類】
G01N 27/327 20060101AFI20230329BHJP
【ＦＩ】
G01N27/327
G01N27/327 353F
【請求項の数】
16
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2021124551
(22)【出願日】2021-07-29
(65)【公開番号】P2023019649
(43)【公開日】2023-02-09
【審査請求日】2021-10-28
(73)【特許権者】
【識別番号】521335225
【氏名又は名称】瑞禾生物科技股▲ふん▼有限公司
【氏名又は名称原語表記】ＮＥＡＴ Ｂｉｏｔｅｃｈ， Ｉｎｃ．
【住所又は居所原語表記】Ｎｏ． ６， Ａｌｙ． ４０， Ｌｎ． ４９６， Ｎｉｏｕｐｕ Ｓ． Ｒｄ．， Ｓｉａｎｇｓｈａｎ Ｄｉｓｔ．， Ｈｓｉｎｃｈｕ Ｃｉｔｙ ３０００６０， Ｔａｉｗａｎ （Ｒ．Ｏ．Ｃ．）
(74)【代理人】
【識別番号】110000970
【氏名又は名称】弁理士法人 楓国際特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100091683
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼川 俊雄
(74)【代理人】
【識別番号】100179316
【弁理士】
【氏名又は名称】市川 寛奈
(72)【発明者】
【氏名】連俊龍
【審査官】黒田 浩一
(56)【参考文献】
【文献】特開２００１－２４２１３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０２０－５２７２４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１５／１８４４６５（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２７／００－２７／４９
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板、当該基板の上に配置されており、且つ第１上面を各々有する複数の金属導電層、
対応する当該金属導電層の当該第１上面の上に配置され、第１天井面を各々含み、且つ各当該第１天井面が当該金属導電層の当該第１上面よりも高い複数の作用電極、
対応する当該金属導電層の当該第１上面の上に配置されるともに、当該複数の作用電極と隣接しており、第２天井面を含み、且つ当該第２天井面が当該第１天井面よりも高いカウンター電極、及び
当該金属導電層を被覆し、且つ当該複数の作用電極及び当該カウンター電極を囲繞する絶縁層であって、当該絶縁層の第２上面が当該複数の作用電極の当該複数の第１天井面と当該金属導電層の当該第１上面との間に介在することで、当該複数の作用電極及び当該カウンター電極を当該絶縁層の当該第２上面から突出させる絶縁層、を含むバイオセンシング装置。
【請求項2】
各当該作用電極の当該第１天井面と当該カウンター電極の当該第２天井面との高低差は０．１５μｍ未満である請求項１に記載のバイオセンシング装置。
【請求項3】
各当該作用電極の当該第１天井面と当該カウンター電極の当該第２天井面との高低差は０．１μｍ未満である請求項１又は２に記載のバイオセンシング装置。
【請求項4】
各当該作用電極の当該第１天井面と当該カウンター電極の当該第２天井面との高低差は０．０５μｍ未満である請求項１～３のいずれか１項に記載のバイオセンシング装置。
【請求項5】
各当該作用電極の高さをＨ１、幅をＷ１とした時のアスペクト比Ｗ１／Ｈ１は０．１２５～７．５の間である請求項１～４のいずれか１項に記載のバイオセンシング装置。
【請求項6】
各当該作用電極の当該第１天井面から当該第１上面までの第１の高さは０．０５μｍ～１μｍの間である請求項１～５のいずれか１項に記載のバイオセンシング装置。
【請求項7】
各当該作用電極の当該第１天井面から当該第２上面までの第２の高さは０．０１μｍ～０．５５μｍの間である請求項１～６のいずれか１項に記載のバイオセンシング装置。
【請求項8】
当該カウンター電極の当該第２天井面から当該第１上面までの第３の高さは０．０５μｍ～１μｍの間である請求項１～７のいずれか１項に記載のバイオセンシング装置。
【請求項9】
当該カウンター電極の当該第２天井面から当該第２上面までの第４の高さは０．０１μｍ～０．５５μｍの間である請求項１～８のいずれか１項に記載のバイオセンシング装置。
【請求項10】
当該絶縁層は、当該金属導電層の側壁を被覆する請求項１～９のいずれか１項に記載のバイオセンシング装置。
【請求項11】
当該絶縁層は、各当該作用電極及び当該カウンター電極の側壁を部分的に被覆する請求項１～１０のいずれか１項に記載のバイオセンシング装置。
【請求項12】
各当該作用電極は円柱体又は正角柱体である請求項１～１１のいずれか１項に記載のバイオセンシング装置。
【請求項13】
各当該作用電極は、少なくとも１つのバイオプローブを含み、且つ、当該バイオプローブは、核酸、細胞、抗体、酵素、ポリペプチド、ペプチド、アプタマー、糖類又はこれらの組み合わせである請求項１～１２のいずれか１項に記載のバイオセンシング装置。
【請求項14】
当該基板は複数の作用電極領域を含み、各当該作用電極領域内に複数の当該作用電極が配置され、且つ、当該カウンター電極は、当該複数の作用電極領域の間に延伸する複数の指状構造を含む請求項１～１３のいずれか１項に記載のバイオセンシング装置。
【請求項15】
各当該作用電極領域の長軸と短軸の比は０．８～１．２の間である請求項１４に記載のバイオセンシング装置。
【請求項16】
当該カウンター電極は、Ｕ型又は環状に各当該作用電極領域を囲繞する請求項１４に記載のバイオセンシング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、センシング装置に関し、特に、生体分子を検出するためのバイオセンシング装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、各種疾病の診断、生理代謝関連の研究、又は環境因子のモニタリング等を行うために、各種の異なる生体分子の検出方法が開発されている。また、半導体製造プロセス技術と精密機械技術を組み合わせることで、半導体素子により、光学・化学・生体分子、又はその他の性質を検知するための微細なチップを製造可能な微小電気機械システム（Ｍｉｃｒｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＭＥＭＳ）の発展が注目されている。しかし、装置の高密度化、高パフォーマンス化及び低コスト化を模索すべく、半導体産業がナノテクノロジープロセスノードへと進展するに伴い、製造及び設計面での挑戦が３次元設計の成長を後押ししている。そこで、パフォーマンスに優れ、且つ低コストのバイオセンシングチップを発展させることが、現在早急に解決を要する課題となっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
本発明は、突出する複数の作用電極及びカウンター電極を含み、カウンター電極の第２天井面を作用電極の第１天井面よりも高くすることで、作用電極の最大電界数値を増大させて、検知感度を向上させるバイオセンシング装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0004】
本発明の一実施例におけるバイオセンシング装置は、基板、複数の金属導電層、複数の作用電極、カウンター電極及び絶縁層を含む。複数の金属導電層は、基板の上に配置されている。且つ、各金属導電層は第１上面を有している。複数の作用電極は対応する金属導電層の第１上面の上に配置されている。各作用電極は第１天井面を含み、且つ、各第１天井面は金属導電層の第１上面よりも高い。カウンター電極は対応する金属導電層の第１上面の上に配置され、且つ複数の作用電極と隣接している。カウンター電極は第２天井面を含み、且つ第２天井面は第１天井面よりも高い。絶縁層は、金属導電層を被覆し、且つ複数の作用電極及びカウンター電極を囲繞する。複数の作用電極及びカウンター電極が絶縁層の第２上面から突出するよう、絶縁層の第２上面は、複数の作用電極の複数の第１天井面と金属導電層の第１上面との間に介在する。
【0005】
以下に、本発明の目的、技術内容、特性及び達成し得る効果をより理解しやすいよう、具体的実施例に添付の図面を組み合わせて詳細に説明する。
【0006】
本発明の実施例は、下記の詳細な記載に図面を組み合わせて閲読する。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【発明を実施するための形態】
【0008】
本開示では、続いて、本開示における異なる特徴を実施するために、多くの異なる実施形態又は実施例を提供する。なお、各特定の実施例における構成及び配置については、本開示を簡略化するよう以下で記載する。これらの実施例は一例にすぎず、本開示を限定するためのものではない。例えば、第１の素子が第２の素子の「上方」又は「上」に形成されているとは、実施例における第１の素子と第２の素子が直接接触している場合を含んでもよいし、第１の素子と第２の素子の間にその他の別の素子が介在しており、第１の素子と第２の素子が直接接触しない場合を含んでもよい。また、本開示における各種の異なる例示では、素子の符号及び／又は表記を繰り返し使用する。この繰り返しもまた簡略化及び明瞭化を目的とするものであって、それら自身が各種実施例及び／又は構造配置間の関係を決定することはない。
【0009】
また、「～の下」、「下面」、「低い」、「上面」、「高い」、及びその他の類似する相対的な空間関係を示す用語は、図中の素子又は特徴と別の素子又は特徴との関係を記載するために使用可能である。更に、これらの相対的な空間関係を示す用語は、図面に記載する方向だけでなく、装置の使用又は操作中の各種の異なる方向についてもカバーする。このほか、上記の装置には、別の案内形態も存在し得るが（９０度回転させる、又はその他の方向に向ける）、この場合の相対的な空間関係もまた上記のように解釈可能である。
【0010】
図１は、本発明のいくつかの実施形態に基づくバイオセンシング素子の断面図を示す。図１に示すように、バイオセンシング素子１００は、基板１０３、金属導電層１０６、第２絶縁層１０８、複数の作用電極１１０及びバイオプローブ１１２を含む。いずれかの実施例において、基板１０３は、基材１０２及び第１絶縁層１０４を含む。更に、基板１０３は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、ゲルマニウム又はこれらの組み合わせといったその他の半導体材料を含み得る（ただし、これらに限らない）。基材１０２は、例えばシリコン基材とすることができる。技術分野の設計ニーズに応じて、基材１０２は、各種の異なるドーピング配置を含み得る。一実施例において、基材１０２は、高濃度ドーピング、低抵抗率の半導体基材とすることができる。別の実施例において、基板１０３は第１絶縁層１０４を有さないガラス基板である。
【0011】
第１絶縁層１０４は基材１０２の上に配置される。一実施例において、第１絶縁層１０４は、例えば、シリカ、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素といった酸化物、窒化物、窒素酸化物又はこれらの組み合わせを含み得る（ただし、これらに限らない）。バイオセンシング素子１００が良好な絶縁性を有するように、第１縁層層１０４には低誘電率（ｌｏｗ－Ｋ）の材料を選択する。いずれかの実施例において、第１絶縁層１０４の厚みは約０．０２μｍ（マイクロメートル）～約０．２５μｍであり、例えば、約０．１０μｍ、約０．１５μｍ又は約０．２０μｍとする。
【0012】
金属導電層１０６は、基板１０３の上に配置されるとともに、側壁１０７及び第１上面１０５を有する。側壁１０７は、第１上面１０５と隣接しており、且つ、第２絶縁層１０８が側壁１０７を被覆している。一実施例において、金属導電層１０６は、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅・アルミ合金（ＡｌＣｕ）、銅・アルミ・シリコン合金（ＡｌＳｉＣｕ）又はこれらの組み合わせを含み得る（ただし、これらに限らない）。一実施例において、金属導電層１０６の厚みは、約０．０２μｍ～約０．７μｍであり、例えば、約０．１μｍ、０．２μｍ、０．３μｍ、０．４μｍ、約０．５μｍ又は約０．６μｍとする。
【0013】
各作用電極１１０は、金属導電層１０６の第１上面１０５の上に配置されており、且つ、それぞれが第１天井面１０９及び側壁１１１を有している。各第１天井面１０９は、金属導電層１０６の第１上面１０５の上方よりも高くなっている。また、各側壁１１１は各第１天井面１０９と隣接しており、第２絶縁層１０８が各側壁１１１の一部のみを被覆している。各作用電極１１０は、第１の高さＨ１を持って金属導電層１０６の上方に突出している。いくつかの実施例において、各作用電極１１０の第１の高さＨ１は、約０．０５μｍ～約１μｍであり、例えば、約０．０５μｍ、０．１μｍ、０．２μｍ、約０．３μｍ又は約０．４μｍとする。いくつかの実施例において、各作用電極１１０の幅Ｗ１は、約０．０８μｍ～約０．４μｍであり、例えば、約０．０８μｍ、０．１μｍ、０．２μｍ又は約０．３μｍである。一実施例において、各作用電極１１０のアスペクト比（ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ）Ｗ１／Ｈ１は、約０．１２５～約７．５の間であり、例えば約０．２又は約０．３とする。
【0014】
本発明の一部の実施例において、これらの作用電極１１０の形状は、円柱体又は正角柱体とすることができ、例えば、正三角柱体、正四角柱体、正五角柱体、正六角柱体又は正八角柱体とする。いくつかの実施形態において、これらの作用電極１１０は、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅・アルミ合金（ＡｌＣｕ）、銅・アルミ・シリコン合金（ＡｌＳｉＣｕ）又はこれらの組み合わせを含み得る（ただし、これらに限らない）。いくつかの実施形態において、これらの作用電極１１０の材料は、窒化チタン（ＴｉＮ）とすることが好ましい。
【0015】
バイオプローブ１１２は、各種の周知の方法でこれらの作用電極１１０に修飾及び連結可能である。本発明の各種実施形態に応じて、バイオプローブ１１２は、核酸、細胞、抗体、酵素、ポリペプチド、ペプチド、アプタマー、糖類又はこれらの組み合わせを含み得る（ただし、これらに限らない）。説明すべき点として、上記のバイオプローブ１１２は各種生体分子を識別可能である。例えば、バイオプローブ１１２が抗体の場合には、サンプル内の標的分子（即ち、抗原）に結合することで、周知の各種技術で標的分子の存在を検知可能である。
【0016】
第２絶縁層１０８は、金属導電層１０６を被覆するとともに、前記作用電極１１０を囲繞している。第２絶縁層１０８の第２上面１１３は、これらの作用電極１１０が第２絶縁層１０８の第２上面１１３から突出するよう、これらの作用電極１１０の第１天井面１０９と金属導電層１０６の第１上面１０５の間に介在している。上記の突出部分は、各当該第１天井面１０９から第２絶縁層１０８の第２上面１１３までの垂直距離である第２の高さＨ２を有している。いくつかの実施例において、第２の高さＨ２は、約０．０１μｍ～約０．５５μｍであり、例えば、約０．０５μｍ、０．１５μｍ、約０．３μｍ、約０．４５μｍ、約０．５μｍ又は約０．６μｍとする。これにより、電圧がこれらの作用電極１１０に印加された場合、当該作用電極１１０は、電界を発生させてこれらの突出する作用電極１１０を囲繞する。電界のカバー範囲はこれらの作用電極１１０の第１天井面１０９に限らず、これらの作用電極１１０の側壁１１１まで延伸する。これにより、電気化学反応を大幅に増大させることで、信号強度を強化する。同一の電圧を印加した場合、立体構造を有する作用電極１１０は、周知のプレーナー型作用電極よりも優れた感度を提供する。
【0017】
いくつかの実施例において、第２絶縁層１０８は、例えば、シリカ、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素といった酸化物、窒化物、窒素酸化物、又はこれらの組み合わせ、或いはこれらの化合物を含み得る（ただし、これらに限らない）。いくつかの実施例において、第１絶縁層１０４の材料は第２絶縁層１０８の材料と同じである。また、いくつかの実施例において、第１絶縁層１０４の材料は第２絶縁層１０８の材料と異なっている。
【0018】
このほか、電圧を作用電極１１０に印加する際には、背景雑音が発生して検出結果に干渉することがある。背景雑音の発生は電極の断面積に関係している。電極の断面積が大きいほど、背景雑音の強度は高くなる。本発明のいくつかの実施形態では、作用電極１１０に電圧を印加した際に、作用電極１１０が発生させる電界のカバー範囲は周知のプレーナー型作用電極よりも大きい。電界のカバー範囲はこれらの作用電極１１０の第１天井面１０９に限らず、これらの作用電極１１０の側壁１１１まで延伸する。そのため、有効電界のカバー範囲が同一の場合、これらの作用電極１１０の幅は、周知のプレーナー型作用電極の幅よりも小さくなり得る。つまり、本発明の実施形態に基づく作用電極１１０の幅は周知のプレーナー型作用電極の幅よりも小さくなり得ることから、周知のプレーナー型作用電極よりも小さな断面積を有することになり、背景雑音の発生が低下する。
【0019】
上述したように、いずれかの実施形態において、各作用電極１１０の第１の高さＨ１は約０．０５μｍ～約０．６μｍである。各作用電極１１０の第１の高さＨ１が０．０５μｍよりも小さい場合には、各作用電極１１０の突出部分である第２の高さＨ２は０．０１μｍよりも小さくなる。この場合、電圧が作用電極１１０に印加されたときに、有効電界範囲の増加度合が限られてしまい、バイオプローブ１１２の電気化学反応の向上効果が明らかでなくなる。このように、作用電極１１０の突出部分が高いほど有効電界のカバー範囲が広がって、電気化学反応が良好となることが知られている。ただし、注意すべき点として、作用電極１１０のアスペクト比は約０．１２５～約７．５とする。作用電極１１０のアスペクト比が７．５よりも大きい場合には、作用電極に構造上の欠陥が発生しやすくなり、装置全体の信頼性が低下する。
【0020】
図２～図１２は、本発明のいくつかの実施形態に基づくバイオセンシング素子２００の製造方法における各製造段階の断面図を示す。図２～図３に示すように、基板２０３を提供する。いくつかの実施形態において、基板２０３は基材２０２及び第１絶縁層２０４を含み、第１絶縁層２０４が基材２０２の上に配置される。第１絶縁層２０４は、原子層堆積（ＡＬＤ）、物理気相成長（ＰＶＤ）、化学気相成長（ＣＶＤ）、化学的酸化（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）、熱酸化（Ｈｅａｔ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）、及び／又はその他の適切な方法で形成可能である。一実施例において、第１絶縁層２０４は、例えば、シリカ、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素といった酸化物、窒化物、窒素酸化物又はこれらの組み合わせを含み得る（ただし、これらに限らない）。いくつかの実施例において、形成される第１絶縁層２０４の厚みは約０．０２μｍ～約０．２５μｍであり、例えば、約０．１０μｍ、約０．１５μｍ又は約０．２０μｍとする。
【0021】
続いて、図４を参照する。当該ステップでは、第１絶縁層２０４の上に金属導電層２０６を形成する。いくつかの実施形態において、金属導電層２０６は、ＰＶＤ、ＣＶＤ、電子ビーム蒸着（ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍ Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）、スパッタリング、電気めっき、及び／又はその他の適切な製造プロセスで形成可能である。一実施例において、金属導電層２０６は、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅・アルミ合金（ＡｌＣｕ）、銅・アルミ・シリコン合金（ＡｌＳｉＣｕ）又はこれらの組み合わせを含み得る（ただし、これらに限らない）。一実施例において、形成される金属導電層２０６の厚みは、約０．３μｍ～約０．５μｍであり、例えば、約０．３μｍ、約０．４μｍ又は約０．５μｍとする。
【0022】
ここで、図５を参照する。当該ステップでは、導電層２０８を金属導電層２０６の上に堆積する。いくつかの実施形態において、導電層２０８は、ＰＶＤ、ＣＶＤ、電子ビーム蒸着（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）、スパッタリング、電気めっき、及び／又はその他の適切な製造プロセスで形成可能である。いくつかの実施形態において、導電層２０８は、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タングステン（Ｗ）又はこれらの組み合わせを含み得る（ただし、これらに限らない）。いくつかの実施例において、導電層２０８の厚みは、約０．０５μｍ～約０．６μｍであり、例えば、約０．１μｍ、約０．２μｍ、約０．３μｍ又は約０．４μｍとする。
【0023】
ここで、図６～図７を参照する。導電層２０８に対しパターン化プロセスを行って、複数の作用電極２１２を形成する（例示的に１つの作用電極のみを示す）。図６に示すように、フォトマスク２１０及びリソグラフィプロセスを利用して、導電層２０８の上方にパターン化フォトレジスト層（図示しない）を形成する。このフォトレジスト層は、例えば、ポジ型フォトレジストとしてもよいし、ネガ型フォトレジストとしてもよい。続いて、図７を参照する。パターン化フォトレジスト層を利用して導電層２０８に対しエッチングプロセスを実行することで、複数の作用電極２１２を形成するとともに、金属導電層２０６の第１上面２０５を露出させる。各作用電極２１２は第１の高さＨ１を有する。また、各作用電極２１２は、第１天井面２０９及び側壁２１１を有する。各第１天井面２０９は、金属導電層２０６における第１上面２０５の上方よりも高くなっている。各側壁２１１は各第１天井面２０９と隣接している。
【0024】
続いて、図８～図９を参照する。金属導電層２０６に対してパターン化プロセスを行う。図８に示すように、フォトマスク２１４及びリソグラフィプロセスを利用して、作用電極２１２及び金属導電層２０６の上方にパターン化フォトレジスト層（図示しない）を形成する。このフォトレジスト層は、例えば、ポジ型フォトレジストとしてもよいし、ネガ型フォトレジストとしてもよい。続いて、図９を参照する。パターン化フォトレジスト層を利用して金属導電層２０６に対しエッチングプロセスを実行することで、下方の第１絶縁層２０４における一部の上面を露出させる。これにより、金属導電層２０６は、第１上面２０５と隣接する側壁２０７と、下方に露出する第１絶縁層２０４の一部の上面を有する。
【0025】
図１０を参照して、第１絶縁層２０４、金属導電層２０６及び前記作用電極２１２の上に絶縁材層２１６を堆積する。当該ステップにおいて、絶縁材層２１６は、例えば、等角に第１絶縁層２０４、金属導電層２０６及び前記作用電極２１２を被覆すればよい。いくつかの実施形態において、絶縁材層２１６は複数の層であり、且つ各層の材料が互いに異なっていてもよい。また、いくつかの実施形態において、絶縁材層２１６は複数の層であり、且つ各層の材料が同一であってもよい。いくつかの実施形態において、絶縁材層は、ＰＶＤ、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ，ＰＥＣＶＤ）、及び／又はその他の適切な製造プロセスによって形成可能である。
【0026】
一実施例において、絶縁材層２１６は、例えば、シリカ、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素といった酸化物、窒化物、窒素酸化物又はこれらの組み合わせを含み得る（ただし、これらに限らない）。一実施例において、絶縁材層２１６はテトラエトキシシランである。
【0027】
続いて、図１１を参照する。絶縁材層２１６に対し平坦化プロセスを行うことで第２絶縁層２１８を形成する。前記ステップでは、上記の絶縁材層２１６に対して平坦化プロセスを行うことで、実質的に平坦な上面を有する第２絶縁層２１８を取得する。一実施例において、平坦化プロセスは、化学機械平坦化（ＣＭＰ）及び／又はその他の適切な製造プロセスとすることができる。いくつかの実施例において、絶縁材層２１６は複数層からなる絶縁材層であって、各層の材料が互いに異なっている。これにより、平坦化プロセスの効率が良好となる。
【0028】
最後に、図１２を参照する。適切なエッチングプロセスによって一部の第２絶縁層２１８を除去することで、第２絶縁層２１８の第２上面２１３を金属導電層２０６の第１上面２０５と前記作用電極２１２の第１天井面２０９の間に介在させる。これにより、これらの作用電極２１２が第２絶縁層２１８の第２上面２１３から突出する。上記の突出部分は、各当該第１天井面２０９から第２絶縁層２１８の第２上面２１３までの垂直距離である第２の高さＨ２を有する。いくつかの実施例において、第２の高さＨ２は、約０．０１μｍ～約０．５μｍであり、例えば、約０．０５μｍ、０．１５μｍ、約０．３μｍ又は約０．４５μｍとする。いくつかの実施例では、更に、バイオプローブをこれらの作用電極２１２の上に修飾することで、バイオプローブをこれらの作用電極２１２の第１天井面２０９に連結させてもよい。
【0029】
本発明の各種実施形態に基づき製造されるバイオセンシング素子は、各種バイオセンシング装置に適合可能である。図１３は、本発明のいずれかの実施形態におけるバイオセンシング装置３００の平面図を示す。また、図１４Ａは、図１３のＡＡ線部分の断面図を示す。図１３及び図１４Ａに示すように、バイオセンシング装置３００は、基板３０３、金属導電層３０６ａ、金属導電層３０６ｂ、第２絶縁層３０８、複数の作用電極３１０、カウンター電極（ｃｏｕｎｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）３１２、バイオプローブ３１４、信号検知ユニット３１６及び導線３１８を含む。
【0030】
各作用電極３１０及びカウンター電極３１２は、１又は複数の導線３１８を介して信号検知ユニット３１６に電気的に接続可能である。これにより、図１４Ａに示すように、これらの作用電極３１０に電圧を印加すると、これらの電極３１０がそれぞれの電界Ｅを発生させて、対応する作用電極３１０を囲繞する。このときに、続いて、テスト対象サンプルを提供して前記バイオプローブ３１４に接触させる。テスト対象サンプル内の標的分子がバイオプローブ３１４と結合すると、これらの作用電極３１０は信号を発生させる。そして、発生した信号が導線３１８を通じて信号検知ユニット３１６に伝送されることで、標的分子の存在が検出される。
【0031】
引き続き、図１４Ａを参照する。金属導電層３０６ｂは第１絶縁層３０４の上に配置されている。また、カウンター電極３１２が金属導電層３０６ｂの上に配置されている。複数の作用電極３１０は、金属導電層３０６ａにおける第１上面３０７の上に配置されている。いくつかの実施例において、金属導電層３０６ｂの材料は金属導電層３０６ａの材料と同じである。また、いくつかの実施例において、金属導電層３０６ｂの材料は金属導電層３０６ａの材料と異なっている。基板３０３、基材３０２、金属導電層３０６ａ、第２絶縁層３０８、前記作用電極３１０、バイオプローブ３１４は、上述した基板１０３、基材１０２、金属導電層１０６、第２絶縁層１０８、複数の作用電極１１０、バイオプローブ１１２と同様のため、ここでは繰り返し詳述しない。
【0032】
続いて、図１４Ａに基づいて部分的に拡大した図を示す図１４Ｂを参照する。これらの作用電極３１０に電圧を印加すると、これらの作用電極３１０がそれぞれの電界を発生させる。例えば、電界Ｅ７５は、空間内の７５％最大電界強度の各点を接続した電気力線を示している。換言すると、電界Ｅ７５がカバーする範囲の「内側」における各点の電界強度はいずれも７５％最大電界強度よりも大きい。また、例えば、電界Ｅ５０は、空間内の５０％最大電界強度の各点を接続してなる電気力線を示している。換言すると、電界Ｅ５０がカバーする範囲の「内側」における各点の電界強度はいずれも５０％最大電界強度よりも大きい。いくつかの実施形態では、前記作用電極３１０に電圧を印加すると、７５％最大電界強度（即ち、最大電界強度に０．７５を掛けたもの）が、第１天井面３１１から下方に向かって第２の高さＨ２の約２７～４０％移動した箇所（即ち、電界Ｅ７５を接続してなる電気力線がこれらの作用電極３１０と交差する箇所）に出現する。換言すると、７５％最大電界強度は、第２上面３１３の上方における第２の高さＨ２の約６０～７３％の箇所に出現する。いくつかの実施形態では、前記作用電極３１０に電圧を印加すると、５０％最大電界強度（即ち、最大電界強度に０．５を掛けたもの）が、第１天井面３１１から下方に向かって第２の高さＨ２の約８０～９３％移動した箇所（即ち、電界Ｅ５０を接続してなる電気力線がこれらの作用電極３１０と交差する箇所）に出現する。換言すると、５０％最大電界強度は、第２上面３１３の上方における第２の高さＨ２の約７～２０％の箇所に出現する。
【0033】
電界解析シミュレーション
【0034】
本実験では、シミュレーション解析ソフトウェアＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ ４．４を用いて電界強度のシミュレーション解析を行った。下記の表１に示したように、作用電極が円形の場合に、実施例１では、半径０．０５μｍの円形の作用電極を有し、最大電界数値を２．８６×１０６（ｖ／ｍ）とした。また、実施例２では、半径０．１μｍの円形の作用電極を有し、最大電界数値を１．８５×１０６（ｖ／ｍ）とした。また、実施例３では、半径０．２μｍの円形の作用電極を有し、最大電界数値を７．７５×１０５（ｖ／ｍ）とした。
【0035】
【表1】
【0036】
上記から明らかなように、作用電極の半径が小さくなると最大電界数値は増加した。続いて、下記の表２に示したように、作用電極における突出部分の電界のカバー範囲及び強度についてシミュレーションした。作用電極が従来のプレーナー型作用電極の場合には、高さが０μｍのため側壁は存在せず、最大電界強度は、１００％、７５％又は５０％のいずれの場合にも全て作用電極の表面に出現した。続いて、下記の表２に示したように、作用電極の第２の高さＨ２が０．１５μｍの場合、作用電極の天井面から下方の絶縁層に向かって計算したところ、７５％最大電界強度は作用電極の天井面から０．０５μｍの箇所に出現し、５０％最大電界強度は作用電極の天井面から０．１３μｍの箇所に出現した。
【0037】
【表2】
【0038】
以上述べたように、本発明の各種実施形態では、バイオセンシング素子が有する作用電極が絶縁層から突出している。電気化学反応では、電界が大きくなるほど帯電物の移動は速くなり、その結果、電流密度が高くなる。
【0039】
周知の電気化学反応の公式は下記の通りである（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ：Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ａｌｌｅｎ Ｊ．Ｂａｒｄ，Ｌａｒｒｙ Ｒ．Ｆａｕｌｋｎｅｒ，Ｗｉｌｅｙ．ＩＳＢＮ：０４７１０４３７２９）。
【0040】
【数1】
【0041】
ＪＡ（ｘ，ｔ）は、帯電物Ａが、位置ｘ、時間ｔの場合の電流密度を示す。ｚＡは、帯電物Ａの価数を示す。ＤＡは、帯電物Ａの拡散係数を示す。ＣＡ（ｘ，ｔ）は、帯電物Ａが、位置ｘ、時間ｔの場合の濃度を示す。ε（ｘ）は、帯電物Ａが位置ｘで受ける電界を示す。突出した前記作用電極は電界のカバー範囲を拡大させ、帯電物の移動が電界のカバー範囲拡大の影響を受ける。このことが、電気化学反応の効率向上を助けることで、信号の強度が強化される。このように、本発明の実施形態で製造される作用電極の幅は、周知のプレーナー型電極の面積よりも小さくなり得るため、感度が向上する。
【0042】
図１４Ａに示す実施例において、作用電極３１０とカウンター電極３１２の突出高さは同じである。つまり、作用電極３１０の第１天井面３１１とカウンター電極３１２の天井面は同一平面に位置している。ただし、これに限らない。一実施例において、図１５を参照して、第２絶縁層３０８は、金属導電層３０６ａ、３０６ｂ及びこれらの側壁３０５を被覆するとともに、作用電極３１０及びカウンター電極３１２が第２絶縁層３０８の第２上面３１３から突出するよう、作用電極３１０及びカウンター電極３１２の側壁３０９を部分的に被覆している。図１４Ａに示す実施例との違いとして、図１５に示すカウンター電極３１２の第２天井面３１２１は作用電極３１０の第１天井面３１１よりも高い。一例を挙げると、作用電極３１０の第１天井面３１１とカウンター電極３１２の第２天井面３１２１との高低差は０．１５μｍ未満である。いくつかの実施例において、作用電極３１０の第１天井面３１１とカウンター電極３１２の第２天井面３１２１との高低差は、０．１２μｍ未満、又は０．１μｍ未満、又は０．０５μｍ未満である。
【0043】
一例を挙げると、金属導電層３０６ｂから突出するカウンター電極３１２の第３の高さＨ３、即ち、カウンター電極３１２の第２天井面３１２１から金属導電層３０６ｂの第１上面までの第３の高さＨ３は、０．０５μｍから１μｍの間である。いくつかの実施例において、カウンター電極３１２の第３の高さＨ３は、０．１μｍ、０．１５μｍ、０．２μｍ、０．２５μｍ、０．３μｍ、０．３５μｍ、０．４μｍ、０．４５μｍ、０．５μｍ、０．５５μｍ、０．６μｍ又は０．６５μｍとすることができる。一実施例において、第２絶縁層３０８から突出するカウンター電極３１２の第４の高さＨ４、即ち、カウンター電極３１２の第２天井面３１２１から第２絶縁層３０８の第２上面３１３までの第４の高さＨ４は、０．０１μｍから０．５５μｍの間である。いくつかの実施例において、カウンター電極３１２の第４の高さＨ４は、０．１μｍ、０．１５μｍ、０．２μｍ、０．２５μｍ、０．３μｍ、０．３５μｍ、０．４μｍ、０．４５μｍ又は０．５μｍとすることができる。
【0044】
作用電極の第２の高さＨ２を０．０５μｍに設定し、シミュレーション解析ソフトウェアＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ ４．４を利用して、電界強度のシミュレーション解析を行った。解析結果を表３に示す。カウンター電極の第４の高さＨ４が作用電極の第２の高さＨ２と等しい場合（比較例２）と比較して、カウンター電極の第４の高さＨ４が作用電極の第２の高さＨ２よりも小さい場合（比較例１）には、最大電界数値が低下した。また、カウンター電極の第４の高さＨ４が作用電極の第２の高さＨ２よりも大きい場合（実施例４及び実施例５）には、最大電界数値を増大可能であった。注意すべき点として、カウンター電極の第４の高さＨ４と作用電極の第２の高さＨ２との高低差が０．１５μｍより大きい場合（実施例６）にも、最大電界数値は低下した。そのため、カウンター電極の第４の高さＨ４と作用電極の第２の高さＨ２との高低差は０．１５μｍ未満とすべきである。
【0045】
【表3】
【0046】
作用電極とカウンター電極との距離も、作用電極の最大電界数値に影響を及ぼすと解釈し得る。一例を挙げると、アレイ状に配列される複数の作用電極のうち、カウンター電極から遠い作用電極の最大電界数値は相対的に小さくなる。作用電極の最大電界数値を向上させるために、図１６を参照して、一実施例では、基板を複数の作用電極領域ＷＥＡに区分し、各作用電極領域ＷＥＡ内に複数の作用電極３１０ａ、３１０ｂ又は３１０ｃを配置可能とする。カウンター電極３１２ａ、３１２ｂは、複数の指状構造３１２２を含む。カウンター電極３１２ａ、３１２ｂの指状構造３１２２が複数の作用電極領域ＷＥＡの間に延伸することで、カウンター電極３１２ａ、３１２ｂが各作用電極領域ＷＥＡをＵ型又は環状に囲繞する構造が形成される。これにより、各作用電極領域ＷＥＡ内の複数の作用電極３１０ａ、３１０ｂ又は３１０ｃからカウンター電極３１２ａ又は３１２ｂまでの距離を類似させることで、カウンター電極３１２ａ又は３１２ｂから遠い作用電極３１０ａ、３１０ｂ又は３１０ｃの最大電界数値を増大させて、信号強度を強化する。一実施例において、各作用電極領域ＷＥＡの長軸と短軸の比は０．８～１．２の間である。好ましい実施において、各作用電極領域ＷＥＡの長軸と短軸の比は１に近接している。
【0047】
再び図１６を参照して、一実施例において、本発明のバイオセンシング装置は、更に、構造がカウンター電極と類似した基準電極３１９ａ、３１９ｂ、３１９ｃを含む。即ち、基準電極３１９ａ、３１９ｂ、３１９ｃの天井面は作用電極３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃの天井面よりも高い。なお、基準電極の機能は本発明分野の技術であって、熟知されているため、ここでは改めて詳述しない。作用電極３１０ａ、３１０ｂはカウンター電極３１２ａに対応しており、作用電極３１０ｃはカウンター電極３１２ｂに対応している。作用電極３１０ａ、３１０ｂは、異なる標的分子を同時に検出するために、それぞれ異なるバイオプローブに接続可能である。或いは、作用電極３１０ａ、３１０ｂは、検知信号を強化するために同じバイオプローブに接続可能である。一実施例では、基板面積の限界から、複数の作用電極領域ＷＥＡをアレイ状に配置するとともに、互いに電気的に接続してもよい。また、作用電極３１０ｃは、検知信号を強化するために同じバイオプローブに接続可能である。
【0048】
以上述べたように、本発明におけるバイオセンシング装置の複数の作用電極と１つのカウンター電極はそれぞれ絶縁層から突出しており、且つ、カウンター電極の突出高さが作用電極の突出高さよりも大きくなっている。このようにして、作用電極の最大電界数値を増大可能とすることで、電気化学反応を強化し、検知感度を向上させる。
【0049】
上記では、当業者が本開示内容の態様をより良好に理解し得るよう、複数の実施例の特徴について概略した。当業者は、同一の目的を実現する、及び／又は、本文で導入した実施例と同一の利点を達成するその他の製造プロセス及び構造を設計又は修正するための基礎として本開示の内容を容易に使用可能であることを理解すべきである。更に、当業者は、これらの等価物の構造は本開示の内容の精神及び範疇を逸脱するものではなく、且つ、本開示の内容の精神及び範疇を逸脱することなく、それらについて各種の変形、置換及び変更を行うことが可能であると認識すべきである。
【符号の説明】
【0050】
１００ バイオセンシング素子
１０２ 基材
１０３ 基板
１０４ 第１絶縁層
１０５ 第１上面
１０６ 金属導電層
１０７ 側壁
１０８ 第２絶縁層
１０９ 第１天井面
１１０ 作用電極
１１１ 側壁
１１２ バイオプローブ
１１３ 第２上面
２００ バイオセンシング素子
２０２ 基材
２０３ 基板
２０４ 第１絶縁層
２０５ 第１上面
２０６ 金属導電層
２０７ 側壁
２０８ 導電層
２０９ 第１天井面
２１０ フォトマスク
２１１ 側壁
２１２ 作用電極
２１３ 第２上面
２１４ フォトマスク
２１６ 絶縁材層
２１８ 第２絶縁層
３００ バイオセンシング装置
３０２ 基材
３０３ 基板
３０４ 第１絶縁層
３０５ 側壁
３０６ａ 金属導電層
３０６ｂ 金属導電層
３０７ 第１上面
３０８ 第２絶縁層
３０９ 側壁
３１０ 作用電極
３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ 作用電極
３１１ 第１天井面
３１２ カウンター電極
３１２１ 第２天井面
３１２２ 指状構造
３１２ａ、３１２ｂ カウンター電極
３１３ 第２上面
３１４ バイオプローブ
３１６ 信号検知ユニット
３１８ 導線
３１９ａ、３１９ｂ、３１９ｃ 基準電極
Ｅ 電界
Ｅ７５ 電界
Ｅ５０ 電界
Ｈ１ 第１の高さ
Ｈ２ 第２の高さ
Ｈ３ 第３の高さ
Ｈ４ 第４の高さ
ＷＥＡ 作用電極領域
１０２ 基材
１０３ 基板
１０４ 第１絶縁層
１０５ 第１上面
１０６ 金属導電層
１０７ 側壁
１０８ 第２絶縁層
１０９ 第１天井面
１１０ 作用電極
１１１ 側壁
１１２ バイオプローブ
１１３ 第２上面
２００ バイオセンシング素子
２０２ 基材
２０３ 基板
２０４ 第１絶縁層
２０５ 第１上面
２０６ 金属導電層
２０７ 側壁
２０８ 導電層
２０９ 第１天井面
２１０ フォトマスク
２１１ 側壁
２１２ 作用電極
２１３ 第２上面
２１４ フォトマスク
２１６ 絶縁材層
２１８ 第２絶縁層
３００ バイオセンシング装置
３０２ 基材
３０３ 基板
３０４ 第１絶縁層
３０５ 側壁
３０６ａ 金属導電層
３０６ｂ 金属導電層
３０７ 第１上面
３０８ 第２絶縁層
３０９ 側壁
３１０ 作用電極
３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ 作用電極
３１１ 第１天井面
３１２ カウンター電極
３１２１ 第２天井面
３１２２ 指状構造
３１２ａ、３１２ｂ カウンター電極
３１３ 第２上面
３１４ バイオプローブ
３１６ 信号検知ユニット
３１８ 導線
３１９ａ、３１９ｂ、３１９ｃ 基準電極
Ｅ 電界
Ｅ７５ 電界
Ｅ５０ 電界
Ｈ１ 第１の高さ
Ｈ２ 第２の高さ
Ｈ３ 第３の高さ
Ｈ４ 第４の高さ
ＷＥＡ 作用電極領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図15】
【図16】
