JPS63223557A - 半導体バイオセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体バイオセンサの製造方法に関し、特に表
面に酵素固定化膜が設けられた半導体電界効果型イオン
センサの１種もしくは２種以上よりなる半導体バイオセ
ンサの製造方法に関するものである。

［従来の技術］ 従来、溶液中の特定の有機物の濃度を測定するバイオセ
ンサの一種として半導体電界効果型イオンセンサ（Ｉｏ
ｎ　　５ｅｎｓｉｔｉｖｅ　　Ｆｉｅｌｄ　　Ｅｆｆｅ
ｃｔ工ｒａｎｓｉｓｔｏｒ、　　以下ｌ５ＦＥＴと略す
）の表面に酵素を固定化した膜が設けられたものが知ら
れている（Ｂ、　Ｄａｎｉｅｌｓｏｎ、　１．　Ｌｕｎ
ｄｓｔｒ６ｍ、に、　ＭＯＳｂａＣｈａｎｄ　Ｌ、　５
ｔｉｂｌｅｒｔ　Ｏｎ　ａ　ｎｅｗ　ｅｎｚｙｍｅ　ｔ
ｒａｎｓｄｕｃｅｒＣｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ：　ｔｈｅ
　ｅｎｚｙｍｅ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ”、　Ａｎａｌ
。

Ｌｅｔｔ、、１２（８１１）、　ＰＰ、１１８９〜１１
９９（１９７９））　、このｌ５ＦＥＴバイオセンサは
溶液中の特定の有機物が酵素固定化膜中で酵素の触媒作
用により分解された時に生ずる膜中の水素イオン濃度の
変化をｌ５ＦＥＴで検出することにより、特定の有機物
の濃度を測定するものである。この選択性をもつ酵素固
定化膜の例として、たとえば尿素検出用としてウレアー
ゼ固定化膜、グルコース検出用としてグルコースオキシ
ダーゼ固定化膜などが知られている。

また、溶液中の多成分の有機物を同時に測定できるマル
チバイオセンサは、複数の酵素固定化膜をそれぞれ所定
のｌ５ＦＥＴ表面に設けることにより実現できる（栗山
敏秀、木村純、川名美江＝「集積化ＳＯ３／ｌ５ＦＥＴ
マルチバイオセンサ」、電子通信学会、電子デバイス研
究会資料ＥＤ８４−１５８．　Ｐ、１９（１９８４））
。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記した半導体バイオセンサにおいて、
従来は酵素固定化膜を形成するのに注射器を用い人手で
酵素溶液をセンサ領域に滴下することによって行ってい
たため、酵素固定化膜の膜厚および形状のコントロール
が困難であった。近年、インクジェットノズルを使用し
て、酵素溶液をフィルムレジストで囲まれたセンサ領域
に滴下する方法が報告されている（川名美江、木村純、
栗山敏秀二［半導体マルチバイオセンサとその応用Ｊ、
’８５電気化学秋季大会予稿集Ｄ３１１．　（１９８５
））。

しかし、この場合酵素固定化膜の平面形状はコントロー
ルできるが、膜厚が不均一になるという欠点があった。

これは、ウェハ表面に付着した酵素溶液が周辺部から乾
燥し、酵素固定化膜は周辺部が厚くなるためである。

本発明は、このような従来の欠点を解消するためになさ
れたもので、特に同一チップ上に形成された複数のｌ５
ＦＥＴ表面の所定の位置に、生産性に優れ、かつ特性の
均質性にも優れた微小なバイオセンサをウェハ段階で形
成し得る半導体バイオセンサの製造方法を提供すること
を目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は酵素固定化膜が所定のセンサ部表面に形成され
た半導体電界効果型イオンセンサの１種もしくは２種以
上よりなる半導体バイオセンサの製造方法において、半
導体電界効果型イオンセンサが形成され、かつ酵素固定
化膜が設けられるべき半導体ウェハ上のセンサ領域に、
パターニングされた親水性多孔質膜を形成する工程と、
所定の酵素を含有する溶液をインクジェットノズルから
前記親水性多孔質膜に噴出させ、滲み込ませて酵素膜を
形成する工程と、この酵素膜中の酵素を固定化する工程
とを具備してなることを特徴とする半導体バイオセンサ
の製造方法である。

本発明において親水性多孔質膜としては無機材料および
有機材料のいずれを用いてもよく、酵素含有溶液を多孔
質中に浸透・保持せしめ得る材料であればよい。また酵
素膜中の酵素を固定化する方法としては、形成された酵
素膜に架橋剤を添加する方法、あるいは酵素含有溶液中
に光架橋剤を加えておき、この溶液を用いて酵素膜を形
成した後、光架橋させる方法等があげられる。また本発
明の方法は半導体バイオセンサが複数個のそれぞれ相異
なる酵素固定化膜が所定のセンサ部表面に形成された半
導体電界効果型イオンセンサを集積化してなる半導体マ
ルチバイオセンサである場合に特に好都合である。

［作　用］ 本発明によれば、インクジェットノズルにより噴射され
た酵素含有溶液は、パターニングされた親水性多孔質膜
上に付着した後、膜中に浸透する。

酵素液は表面張力によって上記親水性多孔質膜内に保持
され、はぼ均一に広がり、乾燥後も均一に酵素が分布す
る。したがって、パターニングした一様な厚さの親水性
多孔質膜を用いることにより、パターニングされた一様
な厚さの酵素固定化膜が得られる。ざらに、ウェハをＸ
−Ｙステージ上にのせて、位置を精度よく移動すること
により所定のセンサ領域に酵素を滴下することができ、
また酵素の液滴量を制御することにより、特性のそろっ
た酵素固定化膜をウェハ上に形成することができる。

［実施例］ 以下本発明の一実施例について図面を参照して詳細に説
明する。

第１図および第２図は本発明による半導体バイオセンサ
の製造方法の一実施例を説明するためのもので、第１図
は半導体電界効果型イオンセンサ（ＩＳＦＥＴ＞が形成
された半導体ウェハに酵素固定化膜が形成される工程を
示す概略図、第２図はパターニングされた親水性多孔質
膜が設けられた半導体ウェハの概略平面図を示す。本実
施例では尿素を検出するためにｔｓＦＥＴのセンサ部に
ウレアーゼ固定化膜を形成する場合を例にとって説明す
る。

半導体ウェハ１上に形成するパターニングされた親水性
多孔質膜２として無機材料を用いた実施例では、アルミ
ナ粉末とポリビニルアルコールを含むセラミック材料を
スクリーン印刷法により半導体ウェハ１上の所定の位置
に印刷した後、高温で焼結することにより、ポリビニル
アルコールが蒸発しパターニングされた親水性多孔質膜
２が形成された。この場合、親水性多孔質膜２の膜厚は
セラミック材料の粘度とスクリーンの厚さでコントロー
ルできた。一方、親水性多孔質膜２として有機材料を用
いた実施例では、感光性ポリビニルアルコール樹脂に炭
酸塩、本実施例では炭酸カルシウムを加えたものを用い
、半導体ウェハ１上に塗布した後、フォトリソグラフィ
ー技術によりパターニングされた膜を形成し、ざらに高
温で炭酸塩を蒸発させることにより、親水性多孔質膜２
が形成された。次いで第１図に示すように、ウレアーゼ
と牛血清アルブミンをトリス塩酸緩衝液に溶かした溶液
をインクジェット３のインク容器３ｂに入れ、インクジ
ェットノズル３ａの圧電体に約２０Ｖの電圧パルスを加
えることによりインクジェットのノズルからウレアーゼ
を含む液滴４をパターニングされた親水性多孔質膜２上
に噴射させる。液滴４の大きさはノズルの大きさにより
容易に定めることができ、本実施例では直径２０〜１１
００ｔＩの液滴を用いた。また、ウレアーゼと牛血清ア
ルブミンの溶液は粘度が低くなるようトリス塩酸緩衝液
（ｐＨ８，５）で薄めた。またウレアーゼの固定化量は
、上記パターニングされた親水性多孔質膜に滴下される
液滴の数を電圧パルスによりコントロールし正確に定め
ることができた。

次に、架橋剤（本実施例ではグルタルアルデヒド）を含
む溶液をインクジェット法により上記のウレアーゼを含
む溶液の場合と同様に液滴として上記のパターニングさ
れた親水性多孔質膜に噴射し、ウレアーゼと反応させる
ことによりウレアーゼ固定化膜が所定のｌ５ＦＥＴのセ
ンサ部に形成された半導体バイオセンサを製造すること
ができた。・酵素の固定化方法としては、上記のように
架橋剤を後で加える方法のほか、酵素にあらかじめ光架
橋性高分子を溶かし、この溶液をパターニングされた親
水性多孔質膜に含ませた後、光を照射することにより固
定化する方法を採ってもよい。

また、上記の工程を酵素の種類をかえて繰り返すことに
より、複数個の異なる酵素固定化膜を表面に持つｌ５Ｆ
ＥＴが集積化されてなる半導体マルチバイオセンサを製
造することができた。

第３図および第４図は本発明の方法をサファイア基板上
に設けられた島状シリコン層に形成された半導体マルチ
バイオセンサに適用した一実施例を説明するためのバイ
オセンサの断面図で、第３図は親水性多孔質膜形成後の
センサの断面図、第４図は酵素固定化膜形成後のセンサ
の断面図を示す。両図において、１２は親水性多孔質膜
、５はサファイア基板、６は高不純物濃度のｎ　形シリ
コン、７はｐ形シリコン、８は酸化シリコン膜、９は窒
化シリコン膜、１０ａ、　１０ｂおよびＩＯＣはそれぞ
れ異なった種類の酵素よりなる酵素固定化膜である。第
４図に示すように一つのチップ上に複数種類の酵素固定
化膜が形成されており、このセンサを用いることにより
試料中の複数の基質を同時に検出することが可能になる
。

次に、本発明の方法によって製造した半導体ウェハ（直
径４インチ）内に約８００個設けられた半導体マルチバ
イオセンサの感度バラツキを測定したところ、ウレアー
ゼ固定化膜を用いた尿素センサおよびグルコースオキシ
ダーゼ固定化膜を用いたグルコースセンサにおいて、そ
れぞれ１０％および５％以内であった。この値はそれぞ
れの固定化膜を単独で用いてバイオセンサとした時の値
と同等以上の精度であった。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明によればインクジェットノ
ズルの圧電体に印加する電気パルスによりｌ５ＦＥＴ表
面に付着する酵素の量を簡便に、かつ精度良くコントロ
ールすることができると共に、酵素固定化膜が設けられ
る領域はパターニングされた親水性多孔質膜により規制
されるため酵素固定化膜の面積および厚さをともに精度
良くコントロールすることが可能である。

上記した利点を有するため、本発明方法によれば特性の
均質化されたバイオセンサを生産性良く得ることができ
、特に半導体マルチバイオセンサの製造においては、従
来困難であった膜厚の精度が改善されるのでその利点は
大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法の一実施例における酵素固定化膜
形成工程を示す概略図、第２図はパターニングされた親
水性多孔質膜を設けた半導体つエバの概略平面図、第３
図は、本発明方法によりサファイア基板上の島状シリコ
ンに親水性多孔質膜を形成した後のセンサの断面図、第
４図は同じく島状シリコンに酵素固定化膜を形成した後
のセンサの断面図である。 １・・・半導体ウェハ ２．１２・・・親水性多孔質膜 ３・・・インクジェット ３ａ・・・インクジェットノズル ３ｂ・・・インク容器 ４・・・液滴　　　　　　　５・・・サファイア基板６
・・・ｎ　形シリコン　　７・・・ｐ形シリコン８・・
・酸化シリコン膜　　９・・・窒化シリコン膜１０ａ、
　１０ｂ、　１０ｃ　・・・酵素固定化膜代理人弁理士
　　舘　　野　　千惠子 第２図 第３図 コ 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）酵素固定化膜が所定のセンサ部表面に形成された
   半導体電界効果型イオンセンサの１種もしくは２種以上
   よりなる半導体バイオセンサの製造方法において、半導
   体電界効果型イオンセンサが形成され、かつ酵素固定化
   膜が設けられるべき半導体ウェハ上のセンサ領域に、パ
   ターニングされた親水性多孔質膜を形成する工程と、所
   定の酵素を含有する溶液をインクジェットノズルから前
   記親水性多孔質膜に噴出させ、滲み込ませて酵素膜を形
   成する工程と、この酵素膜中の酵素を固定化する工程と
   を具備してなることを特徴とする半導体バイオセンサの
   製造方法。
2. （２）半導体バイオセンサは、複数個のそれぞれ相異な
   る酵素固定化膜が所定のセンサ部表面に形成された半導
   体電界効果型イオンセンサを集積化してなる半導体マル
   チバイオセンサである特許請求の範囲第１項記載の方法
   。