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미크론 자성비드 검출용 바이오센서에 대한 고감도 GMR-SV 소자의 제작과 특성 연구
최종구·이상석*
상지대학교 한방의료공학과, 강원도 원주시 우산동, 220-702
박영석
블루엠테크, 한방의료기기산업진흥센터 301호, 강원도 원주시 우산동, 220-702 (2012년 8월 6일 받음, 2012년 10월 3일 최종수정본 받음, 2012년 10월 4일 게재확정)
미크론 자성비드 검출용 바이오센서에 활용하는 GMR-SV 박막을 이온빔 스퍼터링 증착법으로 glass/Ta(5.8 nm)/NiFe(5 nm)/
Cu(t nm)/NiFe(3 nm)/FeMn(12 nm)/Ta(5.8 nm)의 구조를 갖도록 증착하였다. 비자성체 Cu의 두께가 3.0 nm에서 2.2 nm까지 얇아 질수록 교환결합력은 증가하였고 자기저항비는 다소 감소하였다. 비자성체의 두께가 얇으면 반강자성체의 층간 교환작용이 강자 성체의 고정층뿐만 아니라 자유층의 스핀배열에도 영향을 주고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 리소그래피 공정 과정을 거쳐
GMR-SV 소자를 제작하여 미크론 자기비드를 검출하였다. 여기서 자기비드를 떨어뜨리기 전과 후의 자기저항비, 교환결합력, 보
자력은 각각 0.9 %, 3 Oe, 2 Oe의 값을 나타내었다. 이러한 결과로 나노 단위의 바이오센서에 활용할 수 있는 가능성을 보여주었다.
주제어 : 바이오센서, 자성비드, 거대자기저항-스핀밸브, 소자, 이온빔 스퍼터링, 리소그래피, 자기저항비
I.
서 론사람과 사람간의 유전적 차이는 99.9 %가 동일하며 단지
0.1 % 차이에 의해 개인 간 모든 차이의 유전적 원인이 되고
있다. 특히 인간유전체 사업(human genome project)과 대량 의 유전변이형에 대한 정보이용 기술의 발달로 질병 또는 약 물반응에 관련된 유전자들이 속속 규명되고 있다. 따라서 각 개인의 유전정보 차이를 이용한 질병예측, 진단 및 예방이 가 능한 맞춤의학의 시대는 미래가 아닌 우리가 직면하고 있는 현실이 되고 있다[1].
유전물질로서의 DNA(deoxyribonucleic acid)는 자연에 존 재하는 두 종류의 핵산 중에서 디옥시리보오스를 가지고 있 는 핵산이며 유전자의 본체를 이루고 있다. 사람의 유전체에 는 약 30억 염기서열로 구성되어 있으며 그 중에 1.1~1.4 % 만이 생물학적 기능을 지닌 단백질을 만드는데 실제 이용되 며 이를 유전자라 한다. 현재 화학, 수학, 컴퓨터공학, 분자생 물학, 물리학 등 수많은 학문들의 발달과 이들의 조합으로 생 체분자에 대한 정보처리기술이 비약적으로 발달되었으며 유 전자의 염기서열을 측정하는 센서분야 역시 근래에 눈부신 성 과를 이루고 있다[2].
스핀트로닉스(spintronics) 현상들이 발견된 이래, 거대자기 저항-스핀밸브(gaint magnetoresistance-spin valve; GMR- SV) 박막을 이용한 고밀도 자기기록헤드의 기술이 급부상으
로 성장하였다[3, 4]. 최근 자기센서를 이용한 DNA 식별 태 그(tag) 응용에 대한 연구는 1996년부터 시작되었으며 미국, 프랑스, 독일, 포르투갈을 중심으로 수년간 연구가 수행되어 실험실 수준에서 10개 미만의 분자를 GMR-SV 소자로 식별 할 수 있는 바이오센서가 개발되었다. 바이오센서는 의료분야 에서 아직 큰 시장을 형성하지 못하였고 실용화도 미미하지 만 향후 높은 성장과 발전이 예상된다. 최근 이러한 발전에 힘입어 바이오센서는 나노 사이즈의 자성입자(magnetic particle)를 이용한 DNA 칩 기술로 새롭게 조명되고 있다[5-7].
본 연구에서는 미크론(micron; µ) 크기의 자성비드 (magnetic bead)로 패턴된 바이오센서의 소자를 제작하기 위해 glass/Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn/Ta의 GMR-SV 박막을 증착하였 다. 그리고 리소그래피(lithography), 이온밀링(ion milling), 전극증착 등 공정 기술로 제작한 GMR-SV 소자로 미크론 자기비드를 검출하였다.
II. GMR-SV
박막의 제작과 자기저항 특성Corning #7059 유리(glass) 기판의 시료에서 가장 효과적인 강자성체와 반강자성체간의 교환결합력(exchange bias field;
Hex)을 결정하기 위해 glass/Ta/NiFe/FeMn/Ta의 구조에서 Ta 와 NiFe의 두께를 각각 5.8 nm와 3 nm으로 고정시키고 FeMn의 두께를 6 nm에서 14 nm까지 변화시키며 자기저항 특성을 조사하였다.
GMR-SV 박막은 glass/Ta(5.8 nm)/NiFe(5 nm)/Cu(t nm)/
*Tel: (033) 730-0415, E-mail: [email protected]
NiFe(3 nm)/FeMn(12 nm)/Ta(5.8 nm)의 구조에서 비자성체 Cu의 두께를 2.2 nm에서 3.0 nm까지 변화시켜며 가장 민감하 고 반응이 큰 자기저항비(magnetoresistance ratio; MR(%))를 조사하였다. 여기서 Ta, NiFe, FeMn 층에서는 이온빔 스퍼 터링 증착법(ion beam sputtering deposition; IBD)을 사용하였 다. 그러나 Cu 층에서 이온빔 스퍼터링 증착법을 사용하였을 때 원활하지 못한 경향을 보여 동일한 챔버 내에 3개의 타겟 이 장착된 DC 스퍼터링 증착법(DC sputtering deposition)을 사용하였다.
자기저항비는 Fig. 1(a)와 같이 자체 제작한 자기저항 측정 장비를 사용하였다. 이 장비는 전류를 인가하여 저항을 동시에 측정할 수 있는 HP(Hewlett-Packard) 멀티메터(multimeter)를 이용하였고 자기장의 세기는 DC 전류로 조절할 수 있는 전 자석을 이용하였다. 측정방법은 시료 내부의 패턴에 일렬로 4개의 전극에 가는 구리선을 실버페이스트(silver paste)으로 연결하였다.
전극의 양쪽 끝에는 일정한 전류를 흐르게 하고 안쪽 2개 의 전극에서 발생하는 출력전압을 일정한 주파수로 읽어 변 화하는 저항을 관찰하였다. 인가되는 자기장은 시료에 공급되 는 전류와 수직한 방향이 되도록 하였으며 패턴에 인가된 정 전류(constant current)의 세기는 1 mA이었다. 인가된 자기장 의 세기는 major loop으로 측정하였을 때 −600 Oe에서 +600 Oe까지이었으며 주파수는 1.7 mHz이었고, minor loop으 로 측정하였을 때 −100 Oe에서 +100 Oe까지이었으며 주파수 는 0.5 mHz이었다.
자기저항곡선으로부터 얻은 GMR-SV 박막에 대한 교환결 합력, 보자력(coercivity; Hc), 자기저항비를 Fig. 2에 나타내 었다. Fig. 2(a)와 같이 FeMn의 두께가 커질수록 교환결합력 의 변화가 크게 일어나지만 두께의 한계점 이상에서는 그 효 과가 더 이상 나타나지 않았으며 가장 효과적인 FeMn의 두 께를 12 nm으로 설정하였다. Fig. 2(b)에서는 Cu의 두께에 따라 변화하는 자기저항비를 조사하였다. 비자성체 Cu의 두 께가 얇을 때 층간 상호 교환작용의 영향으로 교환결합력은 높았고 자기저항비는 낮았다. 여기서 비율이 높은 자기저항비 를 기준으로 하였을 때 Cu의 두께는 2.6 nm이었다. 하지만 Cu의 두께가 두꺼울수록 자기저항비와 교환결합력은 감소하 였다. Cu의 두께가 2.6 nm인 GMR-SV 박막을 minor loop 로 측정하였을 때 0.5 %/Oe 이상의 자장 민감도를 나타내었 다. 이것은 바이오센서에 활용하는데 용이하다.
III. GMR-SV
소자의 제작Fig. 3은 바이오센서에 활용하는 GMR-SV 소자의 제작 공 정 과정을 나타낸 것이다. 먼저 Fig. 2에서 Cu의 두께가 2.6 Fig. 1. (Color online) (a) Schematic of MR measurement system and
(b) 4-probe method of GMR-SV film.
Fig. 2. Magnetic fields (exchang coupling field; Hex, coercivity; Hc) and magnetoresistance ratio versus (a) FeMn thickness for glass/
Ta(5.8 nm)/NiFe(5 nm)/FeMn(t nm)/Ta(5.8 nm) and (b) Cu thickness for glass/Ta(5.8 nm)/NiFe(5 nm)/Cu(t nm)/NiFe(3 nm)/FeMn(12 nm)/
Ta(5.8 nm).
nm인 GMR-SV 박막을 선정하여 감광액(photoresist; PR)을 수 µm 정도 코팅하고 자외선(ultraviolet; UV)을 마스크로 통과하게 하여 선택한 부분을 조사한 후 현상(developing)대 로 원하는 모양과 크기의 PR 패턴(pattern)을 획득하였다. 다 음으로 건식식각(dry etching)법인 ECR(electron cyclotron resonance) 이온밀링(ion milling)으로 박막 소자를 제작한 후 같은 과정으로 2차 리소그래피 공정과 리프트 오브(lift-off)를 거쳐 소자를 제작하였다[8, 9]. 리소그래피 공정 및 소자 패터 닝(patterning) 과정에서 빛을 받은 부분이 현상액(developer) 에 남게 되는 양극(positive) PR을 사용하였고 Mask aligner 장비에서는 UV lamp의 필터가 없는 관계로 I(365 nm) line, G(436 nm) line 파장에 모두 무난한 Az1512 현상용액을 사 용하였다.
Fig. 4는 리소그래피 공정으로 제작한 GMR-SV 소자의 일 부분을 나타낸 것이다. 리소그래피 공정 과정에서 시료를 감 광제 제거제(photoresist remover)에 담근 후 꺼내어 60oC의 가열판(hot plate) 상에 10분 동안 진열한 다음 아세톤 (acetone) 용액에 담그어 10초 동안 초음파로 세척을 하고 희 석제(thinner)를 사용하여 1차 패턴 소자 위에 남아있는 PR과 이물질을 깨끗하게 제거하였다. 그리고 전극의 패턴을 가진 마스크로 양극 방식의 2차 리소그래피 공정 후 DC 스퍼터링 에서 Cu으로 증착한 샘플을 lift-off로 아세톤 용액에 5분 동 안 담그웠다.
IV. GMR-SV
소자를 이용한 자성비드 검출과 특성Fig. 5(a)는 GMR-SV 소자를 이용하여 미크론 크기의 자 성비드에 생체분자를 검출하는 시스템으로 전자석을 GMR- SV 소자 주위에 인가하여 포화자화 과정을 거친 후 가장 민 감한 변화를 일으키는 지점을 선정하여 관찰하였다[10, 11].
Fig. 5(b)는 미크론 자성비드 검출 시스템에서 관찰한 DNA 의 정제와 생체분자를 흡착하는 1 µm의 초상자성체 자성비 드(-Si-OH)의 자화 상태를 나타낸 것이다. 여기서 자화 상태 를 높이기 위해 자성비드를 3 kOe의 네오듐 영구자석 위에 수 시간동안 보관한 후 스포이드(spuit)를 이용하여 떨어뜨렸 다. 그리고 정확성을 위해 소자와 밀접한 거리에 가우스 미 터(gauss meter) 프로브(probe)를 고정시켜 자성비드를 떨어 뜨린 전과 후의 minor loop를 측정하였으며, 상하 좌우의 미 세조절이 가능한 탐침 봉에 정교한 전도성 탐침을 장착하고 전극과 전극 사이를 연결하여 자기저항 특성을 조사하였다.
Fig. 6은 GMR-SV 소자로 검출한 1 µm의 자성비드를 400배 와 800배의 광학현미경으로 관찰한 것이다.
Fig. 7(a)와 (b)는 패터닝 전과 후의 자기저항 특성을 비교 한 것으로 자기저항비는 2 %에서 1 %으로 감소하였지만 GMR-SV 박막에 대한 각 층별 두께와 너비, 금속의 비저항 Fig. 3. (Color online) All fabrication processes of GMR-SV device.
Fig. 5. (Color online) Detecting experiment of magnetic bead; (a) GMR-SV bio-sensing stage system with microscope, electromagnet, and electrode probe, (b) several magnetic beads (× 400) with a solution of 50 mg/ml (Si-OH), and (c) magnetic bead dropping status upon the GMR-SV devices.
Fig. 4. (Color online) Photograph for GMR-SV devices and Cu electrodes; the number of devices is 66 and the minimum size of device is 2.02 × 3.24µm2.
을 적용해 보았을 때 약 250 Ω의 값을 얻었으로 오차 범위 내에서 제작된 GMR-SV 소자는 완만한 자기저항곡선을 나 타내었으며 교환결합력과 보자력은 각각 3 Oe와 2 Oe이었다.
Fig. 7(c)에서 일정하게 유지되던 GMR-SV 소자의 저항은 떨 어뜨린 자성비드에 반응하여 급격하게 감소하였으며 20초 뒤 에 완만하게 증가하여 0.9 %의 자기저항비를 나타내었다. 여
기서 자성비드는 Fig. 6(b)와 같이 GMR-SV 소자에 정착되 면서 인가된 자기장에 따라 변화하였다. 또한 Fig. 7(d)와 같 이 자성비드 등 자성체와 무관한 일반 오일을 떨어뜨렸을 때 도 0.2 %의 미세한 변화를 나타내었다.
이러한 결과로 DNA 분석용 바이오센서나 Fe가 포함된 적 혈구 내 헤모글로빈(hemoglobin)을 분석하는 등 나노 단위의 바이오센서에 활용할 수 있는 가능성을 보여주었다.
V.
결 론이온빔 스퍼터링 증착법으로 제작한 Glass/Ta(5.8 nm)/
NiFe(5 nm)/FeMn(t nm)/Ta(5.5 nm)의 구조에서 FeMn의 두 께를 높일수록 반강자성체와 강자성체 사이의 교환결합력은 증가하였으나 일정한 두께 이상에서는 더 이상 증가하지 않 았다. GMR-SV 박막을 glass/Ta(5.8 nm)/NiFe(5 nm)/Cu(t nm)/NiFe(3 nm)/FeMn(12 nm)/Ta(5.8 nm)의 구조에서 비자성 체 Cu의 두께가 3.0 nm에서 2.2 nm까지 얇아질수록 층간 상 호 교환작용의 영향으로 교환결합력은 증가하였고 자기저항 Fig. 6. (Color online) Photograph of magnetic bead upon on device
(2 × 4µm2) of GMR-SV bio-sensor; (a) (× 400) and (b) (× 800).
Fig. 7. Comparison of magnetic bead dropping; Minor loops of (a) before and (b) after magnetic bead dropping. (c) Change of magnetoresistance when oil composed of magnetic beads is dropping on GMR-SV device. (d) Change of magnetoresistance when oil except magnetic beads is dropping on GMR-SV device.
비는 다소 감소하였다. 비자성체의 두께가 얇으면 반강자성체 의 층간 교환작용이 강자성체의 고정층뿐만 아니라 자유층의 스핀배열에도 영향을 주고 있음을 확인할 수 있었다. GMR- SV 소자를 제작하여 미크론 자기비드를 검출하였다. 자기비 드를 떨어뜨리기 전과 후의 자기저항비, 교환결합력, 보자력 은 각각 0.9 %, 3 Oe, 2 Oe으로 변화하였다. 이러한 결과로 DNA 분석용 바이오센서뿐만 아니라 Fe가 포함된 적혈구 내 헤모글로빈을 분석하는 등 나노 단위의 바이오센서가 앞으로 크게 발전할 것으로 예상된다.
감사의 글
이 논문은 2010년도 교육과학기술부의 재원으로 한국연구 재단의 기초연구사업(2010-0024665) 지원을 받아 수행된 연 구임.
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Fabrication and Characteristics of a Highly Sensitive GMR-SV Biosensor for Detecting of Micron Magnetic Beads
Jong-Gu Choi and Sang-Suk Lee
*Dept. of Oriental Biomedical Engineering, Sangji University, Wonju 220-702, Korea
Young-Seok Park
Bluemtech., Ltd., Oriental Medical Industry Development Center, Sangji University, Wonju 220-702, Korea (Received 6 August 2012, Received in final form 3 October 2012, Accepted 4 October 2012)
The multilayer structure of glass/Ta(5.8 nm)/NiFe(5 nm)/Cu(t nm)/NiFe(3 nm)/FeMn(12 nm)/Ta(5.8 nm) as typical GMR-SV (giant magnetoresistance-spin valve) films is prepared by ion beam sputtering deposition (IBD). The coercivity and magnetoresiatance ratio are increased and decreased for the decrease of Cu thickness when the thickness of nonmagnetic Cu layer from is varied 2.2 nm to 3.0 nm. It means that the decrease of non-magntic layer is effected to the interlayer exchange coupling of pinned layer and the spin configuration array of free layer. For experiment of detecting and dropping of magnetic beads we used the GMR-SV sensor with glass/
Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn/Ta structure. From the comparison of before and after for the dropping status of magnetic bead, the variations of MR ratio, Hex, and Hc are showed 0.9 %, 3 Oe, and 2 Oe, respectively. The fabrication of GMR-SV sensor was included in the process of film deposition, photo-lithography, ion milling, and MR measurement. Further, GMR-SV device can be easily integrated so that detecting biosensor on a single chip becomes possible.
Keywords : biosensor, magnetic bead, giant magnetoresistance-spin valve (GMR-SV), device, ion beam sputtering deposition (IBD), lithography, magnetoresistance ratio
