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문제 정의
- 본 연구에서는 민감도 향상을 위하여 스핀밸브 GMR 재료를 사용하고, 선형성이 우수한 PHR 신호 방식을 채택한 자기 비드 탐지용 자기 바이오센서를 개발하였으며, PHR을 이용한 자기 바이오센서의 출력특성 및 자기비드 탐지 능력을 분석하였다.
제안 방법
- 초기진공은 10-8 Torr 이하였고, Ar 공정압력은 3 mTorr로 하였다. 150 Oe의 자기장을 박막과 평행하게 인가하여 교환 결합력의 크기를 향상시켰다.
- GMR박막에 고분자인 positive PR(photoresist) 인 AZ5214를 1 ㎛의 두께로 도포한 후, PR에 있는 수분 및 PR과 wafer의 결합력을 높이기 위해 100℃에서 3분간 soft bake를 실시하였다. Cr 마스크를 통해 자외선을 조사함으로써 마스크 상에 형성된 미세회로 패턴을 코팅된 PR에 전사하였다. 이때 Cr 마스크 패턴위에 조사된 빛은 반사되어 PR을 감광시키지 못하며 Cr이 없는 부분은 투과하여 PR 을 감광시킴으로써 코팅된 PR에 미세회로 형상을 전사시킨다.
- 2는 GMR 박막에 사진식각 기술을 이용하여 PHR 소자의 제작 공정을 보인다. GMR박막에 고분자인 positive PR(photoresist) 인 AZ5214를 1 ㎛의 두께로 도포한 후, PR에 있는 수분 및 PR과 wafer의 결합력을 높이기 위해 100℃에서 3분간 soft bake를 실시하였다. Cr 마스크를 통해 자외선을 조사함으로써 마스크 상에 형성된 미세회로 패턴을 코팅된 PR에 전사하였다.
- PHR센서 소자는 사진식각(photolithography) 및 건식에칭(dry etching) 공정을 통하여 마이크로 사이즈로 제작하였다. Fig.
- 한편 자유층은 외부자기장에 따라 스핀의 방향이 자유롭게 회전하며, 자유층의 자화반전은 고감도 PHR센서로 이용될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 GMR 구조를 갖는 재료의 자유층에 의한 PHR특성을 자기 바이오센서로 활용하였다.
- 외부 인가 자지장에 따른 GMR 및 PHR 신호를 1 mA 전류를 인가한 후 4단자법으로 측정을 하였다. 또한 PHR 신호에서 유도 되는 전압의 크기 변화로 자기비드 감지여부를 측정하였다.
- 현상이 끝나면 현상과정에서 풀어진 고분자 조직을 단단하게 만들기 위해 hard bake를 110 ℃에서 1분간 실시하였다. 마지막으로 기판 상에 미세회로를 형성하기 위해 건식식각 기술 중 하나의 방법인 이온 밀링(ion milling)한 후, 누설전류와 전극의 부식을 막기 위해 RF 마그네트론 스퍼 터링으로 Si3N4/SiO2의 보호층을 증착하였다. 이러한 과정을 통하여 평면홀효과를 이용한 자기 바이 오센서를 제작하였다.
- PHR 소자는 사진식각 및 건식에칭 공정을 통하여 마이크로 사이즈로 제작하였으며, 이러한 PHR 소자가 24개로 구성된 어레이형 자기 바이오센서를 제작하였다. 바이오센서의 특성 검증을 위하여 탐침 바이오 분자를 흡착시키는 자기비드 입자의 유무에 따른 출력 특성을 측정하였다.
- 이러한 노광과정에는 마스크 aligner를 사용하여 미세회로 형상의 위치를 정밀하게 제어하였다. 상대적으로 결합이 약해져 있는 부분의 PR을 용제를 사용하여 녹여내는 현상 과정을 통해 PR 패턴을 형성하였다. 현상액으로는 AZ500MIF를 사용하였다.
- 이러한 과정을 통하여 평면홀효과를 이용한 자기 바이 오센서를 제작하였다. 외부 인가 자지장에 따른 GMR 및 PHR 신호를 1 mA 전류를 인가한 후 4단자법으로 측정을 하였다. 또한 PHR 신호에서 유도 되는 전압의 크기 변화로 자기비드 감지여부를 측정하였다.
- 마지막으로 기판 상에 미세회로를 형성하기 위해 건식식각 기술 중 하나의 방법인 이온 밀링(ion milling)한 후, 누설전류와 전극의 부식을 막기 위해 RF 마그네트론 스퍼 터링으로 Si3N4/SiO2의 보호층을 증착하였다. 이러한 과정을 통하여 평면홀효과를 이용한 자기 바이 오센서를 제작하였다. 외부 인가 자지장에 따른 GMR 및 PHR 신호를 1 mA 전류를 인가한 후 4단자법으로 측정을 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 스핀밸브 GMR 구조를 갖는 Ta/ NiFe/CoFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta재료의 자유층(NiFe/CoFe)에 의한 PHR특성을 자기 바이오센서로 활용하였다. PHR 소자는 사진식각 및 건식에칭 공정을 통하여 마이크로 사이즈로 제작하였으며, 이러한 PHR 소자가 24개로 구성된 어레이형 자기 바이오센서를 제작하였다. 바이오센서의 특성 검증을 위하여 탐침 바이오 분자를 흡착시키는 자기비드 입자의 유무에 따른 출력 특성을 측정하였다.
- PHR 소자는 마이크로 사이즈로 가공하더라고 센서의 기능을 할 수 있으며, 소형화가 가능하다는 장점을 갖고 있다. 따라서 본 연구에서는 마이크로 크기의 PHR 센서를 제작하여 마이크로 비드측정에 이용하였다.
- 본 연구에서 제작한 스핀밸브 GMR박막은 Ta (5.0)/NiFe(4.5)/CoFe(1.5)/Cu(2.6)/CoFe(30.0)/ IrMn(10.0)/Ta (5.0) (단위: nm)이었다. 이들 박막은 상온에서 DC마그네트론 스터퍼링 방법으로 증착하였다.
- 본 연구에서는 스핀밸브 GMR 구조를 갖는 Ta/ NiFe/CoFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta재료의 자유층(NiFe/CoFe)에 의한 PHR특성을 자기 바이오센서로 활용하였다. PHR 소자는 사진식각 및 건식에칭 공정을 통하여 마이크로 사이즈로 제작하였으며, 이러한 PHR 소자가 24개로 구성된 어레이형 자기 바이오센서를 제작하였다.
- 상대적으로 결합이 약해져 있는 부분의 PR을 용제를 사용하여 녹여내는 현상 과정을 통해 PR 패턴을 형성하였다. 현상액으로는 AZ500MIF를 사용하였다. 현상이 끝나면 현상과정에서 풀어진 고분자 조직을 단단하게 만들기 위해 hard bake를 110 ℃에서 1분간 실시하였다.
이론/모형
- 0) (단위: nm)이었다. 이들 박막은 상온에서 DC마그네트론 스터퍼링 방법으로 증착하였다. 초기진공은 10-8 Torr 이하였고, Ar 공정압력은 3 mTorr로 하였다.
성능/효과
- 단일 자기비드가 있는 경우 신호의 세기는 줄어들고 있는 것을 볼 수 있으며, 이는 식 (5)에서 보인 것과 같이 자기비드에서 발생된 stray 자기장 때문이다. 따라서 PHR 센서는 자기장 하에서 자기비드 입자의 유무에 따른 출력 특성의 차이를 이용하여 자기입자의 존재를 감지할 수 있음을 보이며 직경이 2.8 ㎛인 단일 자기 비드를 감지할 수 있는 분해능을 보유하고 있음을알 수 있다.
- 8 ㎛인 단일 자기비드가 있는 경우와 자기비드가 없는 경우 자기장의 세기에 다른 PHR 신호를 측정한 결과 단일 자기비드가 있는 경우 신호의 세기는 줄어들고 있는 것을 볼 수 있으며, 이는 자기비드에서 발생된 stray 자기장 때문이다. 따라서 자기장 하에서 자기비드 입자의 유무에 따른 출력 특성의 차이를 이용하여 자기입자의 양을 측정할 수 있으며, 본 연구에서 제작한 PHR 센서의 경우 직경이 2.8 ㎛인 단일 자기비드를 측정할 수있는 분해능을 보유하고 있다.
- 본 연구팀에서는 1999년부터 스핀밸브 GMR 박막에서 PHR 연구를 수행하여 자유층의 자기저항 민감도를 20 %/Oe로 향상시켰다[4,5]. PHR의 또다른 장점은 offset 저항이 없으며, 외부 자기장에 따른 저항변화의 선형특성이 우수하다는 것이다.
후속연구
- PHR특성을 이용한 고감도/고분해능 바이오센서는 미세유체 역학을 이용한 비드 운동에 관한 연구와 결부하여 향후 차세대 바이오산업에 필수적인 고분해능 바이오칩센서에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 특히 자기 바이오센서는 자기장을 이용한 바이오 분자 이송, 분자 집속, 비특이 결합 분자 제거를 통한 분해능 향상 등의 장점이 있다. 따라서 본 연구에서 얻은 고분해능 자기 저항 방식이 향후 바이오센서 분야에서 한 축을 담당할 것으로 보인다.
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