KR100452946B1 - 저전력형 미세 열순환 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

저전력형 미세 열순환 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저전력형 미소 열순환 소자에 관한 것으로, 상부 기판 및 하부 기판이 결합되어 미소 유체에 대한 온도 및 생화학적 반응을 제어하는 저전력형 미소 열순환 소자에 있어서, 상부 기판은 유체가 유입 및 유출되는 입구 및 출구, 반응이 일어나도록 유체를 한정하는 반응 챔버 및 입구 및 출구와 반응 챔버를 연결하는 유로를 포함하고, 하부 기판은 하부 기판 상에 형성되며 하부 기판 중 소정 영역을 뒷면에서 식각하여 주변부와 열적으로 고립되는 절연성 가열박막, 절연성 가열박막 상에 형성되며 반응 챔버를 가열하는 가열 수단, 절연성 가열박막 상에 형성되며 반응 챔버의 온도를 감지하는 온도 센서 및 가열 수단 및 온도 센서를 감싸는 절연층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 기판의 하부를 식각하여 뛰어난 열적 고립, 열 응답속도, 그리고 균일한 온도 제어가 가능하며, 소량의 시료를 이용하여 여러 가지 서로 다른 시료들을 동시에 빠른 시간 내에 처리할 수 있는 효과가 있다.

Description

저전력형 미세 열순환 소자 및 그 제조 방법{Low Power Consumption Microfabricated Thermal Cycler and its Fabrication Method}
본 발명은 바이오 미세 기전 소자(Bio-MEMS) 분야에서 PCR 이나 열 순환 (Thermal Cycling) 관련 미세 반응에 사용될 수 있는 미세 가열 시스템에 관련된 것으로, 특히 저전력으로 동작할 수 있는 미세 열 순환 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
PCR(Polymerase Chain Reaction)은 체외에서 유전자를 증폭하는 분자 생물학적인 방법이다. PCR 기술을 도입함으로써 기존의 생물학적 종의 인식과 법의학, 환경, 그리고 산업용 시료에서의 병원균의 인식에 사용되던 많은 시간이 소요되는 덜 민감한 기술들을 대체하고 있다. 더우기 미세 가공 구조를 도입한 PCR은 소량의 시료를 소모할 뿐만 아니라 높은 온도 균일도 그리고 짧은 온도 순환 시간 등 향상된 성능을 보이고 있다.
특히, 효율적인 온도 순환기를 얻기 위해서는 빠른 온도 가열 및 냉각 공정과 높은 온도 균일도가 요구된다. 현재, 미세 제작되는 PCR은 되도록 하나의 결정된 열 순환 특성에 따라서 동작하면서 수많은 샘플들이 동시에 증폭이 되게 된다. 이때 각 반응 챔버가 독립된 온도 순환 규칙에 따라 제어 될 수 있다면 많은 장점이 있다. 이렇게 되면, 동시에 각각의 독립된 온도 순환 규칙으로 수많은 샘플들을 증폭하는 것이 가능하며, 다른 IC 소자와 집적시에 열로 인한 전자 소자 특성에 미치는 영향을 줄일 수 있기 때문이다. 초창기의 특허 중에서, Northrup 등 이 1996년 12월에 등록한 미국 특허번호 제 5,589,136호와 Baier Volker 등이 1998년 2월에 등록한 미국 특허번호 제 5,716,842호를 살펴보면, 그들은 여러 챔버를 가진 열 순환 소자들을 실리콘 에칭으로 제작하였다. 이와 같은 경우에 모든 반응 챔버에 대해 가열 히터를 구현할 수 있지만, 반응 챔버간에 제한된 열적 고립 특성 때문에 열적 크로스 토크(cross-talk)를 제거하는 것이 어렵다. 따라서 이는 독립된 온도 순환 규칙을 가진 여러 챔버에는 사용되기 어려운 구조이다. 부가적으로, 이와 같은 열적 고립 및 가열 구조를 가진 경우에 반응 챔버내에 온도 균일도는 60K 정도이고, 다른 전자 소자 등의 주변소자와의 집적화를 고려하지 않은 구조이다.
UC Berkeley 대학의 A.T. Woolley등은 1996년 12월 1일, Analytic Chemistry지에“Functional Intergration of PCR amplification and Capillary Electrophoresis in a Microfabricated DNA Analysis Device”라는 제목으로 미세 전기영동소자(Capillary electrophoresis (CE))와 반응 챔버와 결합한 시스템이라는 발명을 개시하였다. 이는 소량의 시료만으로도 PCR 과 CE가 가능하다는 것이다. 여기서도 여러 가지 감지 메커니즘에서 기판이 상온으로 있는 것이 선호되기 때문에, 유체 이송 및 정밀한 열적 고립(thermal isolation)이 매우 중요하다.
수많은 미세 제작된 PCR 소자들이 지금까지 소개되었는데, 그들의 대부분은 실리콘과 유리로 구성되었다. 그리고 다른 몇몇은 실리콘과 결합된 실리콘을 사용하고 있다. 이와 같은 작은 미세 챔버 내에서 정밀한 온도 제어를 위해서는 칩상에 히터와 온도 센서를 내장하는 것이 매우 중요하다. 우수한 열적 고립(thermal isolation)도 다른 열적 응답을 얻기 위해서는 반드시 필요하다. 미시간 대학(U. Michigan)의 M.A. Burns가 1998년 10월 16일, Science지에“An Integrated Nanoliter DNA Analysis Device”라는 제목으로 발표한 미세 CE와 집적된 미세 반응 챔버는 PCR 열 순환(thermal cycling)없는 SDA(strand displacement amplification)을 이용하여 실시하고, 열적 고립을 고려하지 않은 기술적 사상을 제공한다.
최근에 여러 개의 개개 시료들을 독립적인 열 순환 규칙(thermal protocols)에 따라 짧은 시간에 동시에 처리할 수 있는 새로운 구조의 실리콘 미세 열순환 소자(thermal cycler)가 소개되고 있는데, 반응 챔버 주위의 열적 고립을 고도화 시키고, 반응 챔버 간에 또는 감지용 전자 소자나 CE소자가 집적화되는 기판과 반응챔버 사이에 열적 간섭(thermal cross talk)을 줄이고 있다. 또한 각 반응 챔버내에서 온도 균일도 ±0.5 K, 초당10 K 의 빠른 가열 특성을 보이고, 초당 60K의 냉각 특성을 가지고 있다고 보고 되고 있다. 이것은 실리콘 지지 기판에 에칭을 통해 관통 슬롯을 형성함으로 열적으로 고립된 구조를 제작하는 것이다. 구체적으로는 개개의 반응 챔버는 샘플 주입구와 반응 챔버를 연결하는 채널을 포함한 한 개 이상의 실리콘 빔을 통해 실리콘 기판과 열적으로 고립되고 있다. 그리고 각각의 반응 챔버는 바닥은 실리콘 멤브레인이 덮개는 유리로 이루어 지는 형태이다. 그러나, 열적 고립을 위해서 복잡한 구조에 많은 공정이 요구되고, 칩 위에 다른 전자 소자들이 앞면 식각 공정 중에 영향을 받지 않도록 별도의 도포 작업이 요구되는 번거로움이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 기존의 열 순환 소자(Thermal cycler)보다 단순한 구조를 갖고, 칩 상에서 여러 기능의 소자들이 집적화되기에 용이한 구조를 가지며, 열적 고립, 빠른 열 응답 특성, 그리고 균일한 온도 분포를 갖는 저전력형 미세 열 순환 소자를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 열적 고립, 빠른 열 응답 특성, 그리고 균일한 온도 분포의 장점을 가지고, CMOS 표준 공정과 호환성을 가져 일괄 공정이 가능한 저전력형 미세 열 순환 소자의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미세 열순환 소자의 하부 기판을 설명하기 위한 평면도 및 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 미세 열순환 소자의 하부 기판을 설명하기 위한 평면도 및 단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미세 열순환 소자의 상부 기판을 설명하기 위한 평면도 및 단면도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미세 열순환 소자의 단일 형태를 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미세 열순환 소자의 어레이 형태를 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 상부 기판 및 하부 기판의 접합에 대하여 설명하기 위한 단면도.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미세 열순환 소자의 하부 기판을 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미세 열순환 소자의 상부 기판을제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 미세 열순환 소자의 상부 기판을 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들.
<도면의 주요 부분에 관한 설명>
100 : 하부 기판 102 : 가열 수단의 전극 배선
103 : 가열 수단의 전극 패드 104 : 온도 센서의 전극 배선
105 : 온도 센서의 전극 패드 106 : 절연성 가열박막
108 : 절연층 110 : 미소 감지 전극 배선
111 : 미소 감지 전극 패드 112 : 상부 기판
114 : 입구 116 : 유로
118 : 반응 챔버 120 : 출구
상기 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 저전력형 미소 열순환 소자는 상부 기판 및 하부 기판이 결합되어 미소 유체에 대한 온도 및 생화학적 반응을 제어하는 저전력형 미소 열순환 소자에 있어서, 상부 기판은 유체가 유입 및 유출되는 입구 및 출구, 반응이 일어나도록 유체를 한정하는 반응 챔버 및 입구 및 출구와 반응 챔버를 연결하는 유로를 포함하고, 하부 기판은 하부 기판 상에 형성되며 하부 기판 중 소정 영역을 뒷면에서 식각하여 주변부와 열적으로 고립되는 절연성 가열박막, 절연성 가열박막 상에 형성되며 반응 챔버를 가열하는 가열 수단, 절연성 가열박막 상에 형성되며 반응 챔버의 온도를 감지하는 온도 센서 및 가열 수단 및 온도 센서를 감싸는 절연층을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 다른 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 저전력형 미소 열순환 소자의 제조방법은 가열 수단, 온도 센서, 미소 감지 전극, 절연성 가열박막 및 절연층을 포함하는 하부 기판과 입구, 출구, 반응 챔버 및 유로를 포함하는 상부 기판을 형성하는 단계 및 상부 기판 및 하부 기판을 접합하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 반도체 일괄 공정을 이용한 실리콘 몸체 가공 공정으로 저전력을 소모하여 정밀한 온도 제어를 할 수 있는 저전력형 미세 열 순환 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 미세 열순환 소자는 열적으로 고립된 가열 수단, 온도 센서, 절연성 가열박막을 포함하는 하부 기판과 반응 챔버와 유로, 입구 및 출구를 포함하는 상부 기판으로 구성되어 있다. 절연성 가열박막은 주변부와 열적으로 고립되어 있으며, 절연성 가열박막 상에 가열 수단 및 온도 센서가 형성되어 있다. 상부 기판 중 반응 챔버가 형성되는 부분과 대응하는 부분의 하부 기판은 그 뒷면이 식각되어 절연성 가열박막이 드러난다. 미세 열순환 소자(microfabricated thermal cycler)의 응용분야는 DNA 증폭, 세포 분리, DNA 검지, 생화학 물질 반응제어 등에 이용될 수 있다. 본 발명에 의한 미세 열순환 소자의 특성으로는 짧은 시간에 DNA 실험을 실시하기 위하여 온도 순환 규칙을 자유롭게 조절 가능하고, 반응 챔버와 주변간에 열적 고립 특성이 우수하며, 다른 감지 소자들 또는 전자 소자와의 집적화에 유리하고, 반응 챔버 내에 온도 제어가 ±1℃ 정도로 정밀하게 제어할 수 있다는 것이다. 그리고, CMOS 표준 공정과 호환성을 가지는 특성이 있어 일괄 공정이 가능하다는 것과 저전력 구동이 가능한 것을 또한 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실 시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미세 열순환 소자의 하부 기판을 설명하기 위한 평면도 및 단면도로서, 도 1(b)는 도 1(a)의 AA'에서 바라본 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 미세 열순환 소자의 실리콘 하부 기판(100)의 상부에는 절연성 가열박막(106)이 형성되어 있고, 절연성 가열박막(106) 상에 가열 수단(102,103) 및 온도 센서(104,105)가 인접하여 배치되어 있다. 가열 수단(102,103) 및 온도 센서(104,105)의 상부에는 절연층(108)이 형성되어 있는데, 절연층(108)은 가열 수단(102,103) 및 온도 센서(104,105)를 감싸는 구조로 되어 있다. 이러한 가열부와 주변 소자와의 열적 고립(thermal isolation)을 위해 하부 기판(100)을 뒷면에서 식각하여 절연성 가열박막(106)을 만든다. 하부 기판(100)은 실리콘 기판으로 이루어지며, 가열 수단 및 온도 센서는 각각 전극 배선(102,104)과 전극 패드(103,105)를 이용하여 형성할 수 있다. 각각의 전극 배선(102,104)은 전극 패드(103,105)를 통해 외부에서 들어오거나 또는 외부로 나가는 전기적인 신호를 전달할 수 있다. 도 1(a)에서 점선으로 표시된 부분은 하부 기판 위에 놓일 상부 기판을 나타낸 것인데, 점선 내부의 반응 챔버에 DNA 시료가 능동 혹은 수동 유체제어소자로 주입이 되고 부피가 한정된다.
여기서, 하부 기판(100)의 가열 수단(102,103) 및 온도 센서(104,105)는 백금, 금, 알루미늄, 구리 등을 포함한 다양한 금속, RuO2와 같은 금속산화물과 더불어 도핑된 다결정 실리콘 등의 단일 물질을 사용하거나 이종 물질을 사용할 수 있다. 이러한 가열 수단 및 온도 센서는 포토리소그래피(Photolithography)와 식각을 이용한 반도체가공법뿐만 아니라, 레이져 어블레이션(Laser Ablation), 스크린 프린팅, 전기 도금(electroplating)으로 제작될 수 있다. 또한 하부 기판의 상부면에 형성되는 절연성 가열박막은(106)은 0.1~10㎛ 두께의 Si3N4, PSG(phosphosilicate glass), SiO2의 단일 물질을 사용하거나 이들 물질의 조합(예를 들면, Si3N4/SiO2/Si3N4, SiO2,/Si3N4/SiO2, SiO2/Si3N4/SiO2, SiO2/Si3N4/SiO2/Si3N4) 또는 이들조합 중간에 Si층이 부가된 물질(예를 들면, Si/Si3N4,Si3N4/Si,Si/SiO2,SiO2/Si,Si/Si3N4/SiO2/Si3N4, Si3N4/Si/SiO2/Si3N4, Si/SiO2,/Si3N4/SiO2, SiO2,/Si/Si3N4/SiO2, Si/Si3N4/SiO2/Si3N4/SiO2, Si/SiO2/Si3N4/SiO2/Si3N4), 혹은 PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate), COC(cyclo olefin copolymer), COP(cyclo olefin polymer), PI(polyimide), PS(polystyrene), PVC(polyvinylchloride), LCP(Liquid Crystalline Polymers), PFA(perfluoralkoxyalkane) 등을 포함한 다양한 폴리머도 사용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 미세 열순환 소자의 하부 기판을 설명하기 위한 평면도 및 단면도로서, 도 2(b) 및 도 2(c)는 도 2(a)의 CC'에서 바라본 단면도이다.
도 2를 참조하면, 도 1에서 설명한 하부 기판(100)과 구조는 동일하나, 미소 감지 전극(110,111)이 반응 챔버가 형성될 부분에 더 포함되어 있다. 미소 감지 전극은 가열 수단 및 온도 센서와 유사하게 미소 감지 전극 배선(110)과 미소 감지 전극 패드(111)로 이루어진다. 미소 감지 전극(110,111)은 반응 챔버 내의 생화학적 물질을 감지하기 위한 것으로써, 절연성 가열박막(106) 위에 형성되어 있다. 미소 감지 전극(110,111)은 전기 전도성, 표면 처리 및 센서 신호 획득에 적합한 금속 전극(금 또는 백금)으로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 미소 감지 전극(110)은 도 2(b)에서 도시한 바와 같이 가열 수단(102) 및 온도 센서(104)와는 달리 절연층(108) 상부로 노출되어 있다.
도 2(c)는 도 2(b)에 대한 변형 예로서 미소 감지 전극이 절연층 상에 형성되고, 미소 감지 전극을 감싸는 제2 절연층(109)이 절연층(108) 위에 형성되어 있고, 미소 감지 전극은 제2 절연층 외부로 노출되어 있다. 가열 수단과 미소 감지 전극이 동일한 절연층 상에 배치된 경우보다, 미소 감지 전극이 가열 수단을 둘러싼 제2 절연층(109) 위에 배치됨으로써 수직으로 열전달이 더 정밀하고 신속하게 일어날 수 있는 구조를 보이고 있다. 바이오 감지막이 증착되는 미소 감지 전극(110)의 상부에는 감지 대상체에 따라 항원, 항체를 포함한 단백질 또는 DNA 등과 같은 갖가지 생화학물질이 고정화되어 있을 수 있고, 자기정렬 단분자막(Self Assembled Monolayer)과 같은 표면처리가 되어 있을 수 있으며, 필요에 따라서 계면활성제를 포함한 다양한 화학물질들이 미리 형성되어 있을 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미세 열순환 소자의 상부 기판을 설명하기 위한 평면도 및 단면도로서, 도 3(b)는 도 3(a)의 BB'에서 바라본 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상부 기판(112)은 반응이 일어나도록 유체를 한정하기 위한 반응 챔버(118), 입구(114), 출구(120) 및 반응 챔버(118)와 입구(114) 및 출구(120)를 연결하기 위한 유로(116)로 구성된다. 능동 혹은 수동 유체제어소자로 생화학(Biological/Chemical)물질을 포함하는 유체가 입구(114) 및 유로(116)를 통해 반응 챔버(118)로 이송되면, 반응 챔버(118)의 일측에 형성된 유동 정지부(122)에 이르러 유체는 멈추게 된다. 유동 정지부(122)는 반응 챔버의 말단에 급격한 출구확대 부분을 이용하여 형성하거나, 하부 기판의 반응 챔버 말단의 유로가 형성될자리에 소수성(hydrophobic) 패드를 형성함으로 유체의 유동을 한정할 수도 있다. 열 순환에 의한 반응이 일어난 후에는 능동 유체 제어 소자를 이용하여 유체를 출구(120)로 강제로 이송한다.
여기서, 상부 기판(112)은 PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate), COC(cyclo olefin copolymer), COP(cyclo olefin polymer), LCP (liquid Crystalline Polymers), PDMS(polydimethylsiloxane), PA(polyamide), PE(polyethylene), PI(polyimide), PP(polypropylene), PPE(polyphenylene ether), PS(polystyrene), POM(polyoxymethylene), PEEK(polyetheretherketone), PTFE(polytetrafluoroethylene), PVC(polyvinylchloride), PVDF(polyvinylidene fluoride), PBT(polybutyleneterephthalate), FEP(fluorinated ethylenepropylene), PFA(perfluoralkoxyalkane) 등을 포함한 다양한 폴리머, 또는 알루미늄, 구리, 철 등을 포함한 다양한 금속과 더불어 실리콘, 유리, 석영(Quartz), 탄성재료, 세라믹, PCB(Printed Circuit Board) 등의 단일 물질을 사용하거나 이종 물질을 사용할 수 있다. 상부 기판(112)은 핫엠보싱(Hot Embossing), 사출성형(Injection Molding), 캐스팅(Casting), 광성형(Stereolithography), 레이저 어블레이션(Laser Ablation), 쾌속조형(Rapid Prototyping), 실크스크린 뿐만 아니라, NC(Numerical Control) 머시닝과 같은 전통적인 기계가공법 또는 포토리소그래피(Photolithography)와 식각을 이용한 반도체가공법으로 제작될 수 있다. 열 순환(Thermal Cycling) 과정에서 반응 유체의 기화(Evaporation)는 플라스틱인 경우에 심각할 수 있는데, 이를 방지하기 위해서 유로 및 반응 챔버의 내벽을 유리로 코팅할 수 있다.
이하, 도 4a 및 도 4b, 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미세 열순환 소자의 단일 형태 및 어레이 형태를 설명한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미세 열순환 소자의 단일 형태를 설명하기 위한 도면이다. 도 4a 및 도 4b는 각각 도 1에 도시된 하부 기판(100)과 도 3에 도시된 상부 기판(112)이 결합한 것 및 도 2에 도시된 하부 기판(100)과 도 3에 도시된 상부 기판(112)이 결합된 미세열 순환 소자 완성품의 실시예이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미세 열순환 소자의 어레이 형태를 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, 서로 다른 온도로 조절이 가능한 여러 개의 미세 열 순환 소자를 동시에 반도체 일괄 공정으로 어레이 형태로 확장 제작이 가능하다.
이하, 도 6을 참조하여 상부 기판 및 하부 기판의 접합에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 상부 기판 및 하부 기판의 접합에 대하여 설명하기 위한 단면도이다. 도 6에 도시한 바와 같이 하부 기판(100)과 상부 기판(112)은 접합물질(124)에 의해 접합되어 있다. 접합물질(124)은 액체형의 접착재료 뿐만 아니라 분말형이나 종이와 같은 얇은 판 형태의 접착재료도 사용될 수 있다. 특히 접합 시 생화학물질의 변성을 막기 위하여 상온 또는 저온 접합이 필요한 경우에는 압력만으로 접합이 이루어지는 점착제(Pressure SensitiveAdhesive)를 사용하거나 초음파 에너지를 이용하여 기판을 국부적으로 용융하여 접합하는 초음파접합(Ultrasonic Bonding) 방법이 사용될 수 있다. 두 기판의 접합에 있어서 반드시 고려해야 할 사항 중 하나가 주입된 용액이 외부로 빠져 나오거나 또는 이미 형성된 유로를 통하지 않은 채 미세한 틈새나 공극을 통해 다른 곳으로 흘러 들어가지 않도록 유로와 반응 챔버 주위로의 완벽한 접합이 이루어져야 한다는 것이다. 또한, 하부 기판(100)과 상부 기판(112)을 클립형태의 부가적인 구조물을 이용하여 강제적으로 체결하거나 하부 기판(100)과 상부 기판(112) 중 하나에 양각 모양의 홈을 만들고 나머지 하나에 음각 모양의 홈을 만들어 끼우는 방법으로 두 기판을 접합할 수 있으며, 이러한 접합을 사용할 경우에는 미세한 틈새가 발생하지 않도록 접촉면에 탄성을 가진 폴리머 층을 덧 댈 수도 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미세 열순환 소자의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미세 열순환 소자의 하부 기판을 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7(a)를 참조하면, 우선 양면이 격면 처리된 실리콘 기판(700)를 이용하여, 기판 상부에는 절연성 가열박막(704)을 형성하고, 기판 하부에는 제1 절연막(702)을 형성한다. 절연성 가열박막(704) 및 제1 절연막(702)은 실리콘 질화막과 실리콘 산화막의 단일 물질 혹은 그 조합으로 이루어질 수 있다. 기판 하부면의 제1 절연막 부분 중 기판 몸체 식각을 실시할 부분에 반응성 이온 식각법 (RIE)을 이용하여 제1 절연막(702)을 선택적으로 식각해 낸다.
이어서 도 7(b)를 참조하면, 절연성 가열박막(704)의 상부면에 도전층(706)을 증착하고, 포토리소그래피(Photolithography)법으로 식각하여 가열 수단(102), 온도 센서(104) 및 미소 감지 전극(110)을 형성한다. 이때, 도전층(706)은 백금과 같은 금속을 0.1-0.5 ㎛ 두께로 증착할 수 있다. 절연성 가열박막(704)과 도전층(706) 사이에 티타늄 등의 접합과 저항성 접촉을 도와주는 박막을 얇게 증착할 수 있다.
이어서 도 7(c)를 참조하면, 전체 구조 상부에 제2 절연막(708)을 증착하고, 포토리소그래피 공정으로 식각하여 미소 감지 전극 부분을 노출시키고, 가열 수단, 온도 센서 및 미소 감지 전극의 금속 패드 부분을 형성한다. 제2 절연막(708)은 전기적, 화학적 절연을 위해 실리콘 산화막 등으로 0.01 - 1 ㎛ 증착한다.
도 2(c)에 도시한 바와 같은 하부 기판을 제조하기 위해서는 도 7(b)의 단계에서 미소 감지 전극을 형성하지 않고, 다른 공정에 의할 수 있다. 즉, 절연성 가열 박막(704)의 상부에 도전층을 증착하고 식각하여 가열 수단 및 온도 센서만을 형성한다. 이어서 전체 구조 상부에 제2 절연막을 증착하고, 제2 절연막의 상부에 도전층을 증착한 후 식각하여 미소 감지 전극을 형성한다. 이어서 전체 구조 상부에 제3 절연막을 증착하고 식각하여 미소 감지 전극을 노출시키고, 가열 수단, 온도 센서 및 미소 감지 전극의 전극 패드 부분을 형성할 수 있다.
미소 감지 전극의 형성은 금(gold) 전극이 필요한 경우에 바로 앞의 포토리소그래피 공정을 이용하여 리프트 오프(lift-off)법으로 전극 형성도 가능하다. 리프트 오프 방법은 MEMS 공정에서 사용되는 방법으로서, 감광막과 같은 희생층 박막을 기판 위에 증착하고 원하는 패턴을 포토리소그래피법으로 형성한다. 그리고 원하는 물질(금, 백금 등)을 그 위에 증착하고 순차적으로 희생층 박막을 제거하면, 기판위에 바로 증착된 물질만 남겨지게 된다. 이런 공정들은 에칭 도중에 기판 위에 이미 증착되어 있는 박막들에 영향을 주지 않으면서, 원하는 패턴을 얻을 수 있는 장점이 있다.
이어서, 도 7(d)를 참조하면, 하부 기판의 전면을 보호하고 후면만 노출되도록 설계된 지그를 이용하여 KOH 습식법으로 실리콘 기판(700)의 하부면 중 제1 절연막(702)이 형성되지 않은 부분을 식각한다. 기판이 식각된 부분은 절연성 가열박막(704)이 드러나게 된다. 실리콘 기판의 시각은 KOH, TMAH, EDP을 이용한 실리콘 습식 식각법이나, 깊은 반응성이온식각법(Deep RIE)과 같은 건식 식각법을 사용할 수 있다.
이어서, 도 7(e)를 참조하면, 형성된 하부 기판(700)과 이미 형성된 상부 기판(112)을 접착하여 미세 열순환 소자의 제조를 완성한다. 접합은 UV 경화성 접착제와 같은 결합 재료를 이용하여 틈새나 공극 없이 결합한다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미세 열순환 소자의 상부 기판을 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8(a) 및 도 8(b)를 참조하면, 형성하고자 하는 기판(800)에 감광성 막(802)으로 포토리소그래피법으로 식각될 부분만 제거하고, 샌드블러스트(Sand Blaster)법이나 레이져어블레이션(Laser Ablation)법으로 반응 챔버에서 유로 깊이 차이만큼 식각을 실시한다. 기판은 특히 유리 기판을 사용하는 것이 바람직하다.다시 감광성 막을 코팅하고 포토리소그래피법으로 유로와 반응 챔버 형성될 부분만을 역시 포토리소그래피법으로 선택적으로 제거하고 식각을 실시한다.
이어서 도 8(c) 및 도 8(d)를 참조하면, 기판(800)을 뒤집어 감광막(804)을 코팅하고, 입구 및 출구의 구멍이 형성될 부분에만 상술한 것과 동일한 방법으로 감광막을 제거한다. 그리고 기판에 대한 식각을 실시하여 입구(114) 및 출구(120)를 형성하고 상부 기판의 형성을 완료한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 미세 열순환 소자의 상부 기판을 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 도 9는 특히 플라스틱 상부 기판의 제작 예를 나타낸 것이다.
도 9(a)를 참조하면, 형성하고자 하는 상부 기판과 정확히 반대 형태의 주형(900)을 제작한다. 이때 주형(900)은 NC(Numerical Control) 머시닝과 같은 전통적인 기계가공법, 실리콘 미세 가공법, 혹은 폴리머 미세가공법 등의 방법으로 제작한다.
이어서 도 9(b) 및 도 9(c)를 참조하면, 핫엠보싱(Hot embossing) 장치를 이용하여, PMMA(polymethylmethacrylate) 등의 플라스틱 판(902)과 제작된 주형(900)을 결합하여 고온 고압으로 성형을 한 후 서로 분리한다. 분리를 원활히 하기 위해 주형을 여러 유기물 (fluoro-silane 등)로 표면 처리할 수도 있다.
이어서, 도 9(d)를 참조하면, 입구 및 출구의 형성을 위해, CMP(Chemical Mechanical Polishing)등의 방법으로 윗면을 구멍이 드러날 때까지 식각해서 상부 기판의 제작을 완료한다. 이때 구멍 형성을 위해 드릴, 레이저 가공, 화학적 식각방법 등을 이용할 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 반도체 일괄 공정을 이용한 실리콘 몸체 가공 공정 등으로 저전력 소모에서 반응이 일어나는 부분에서 정확한 온도 제어를 할 수 있는 미세 열 순환 소자를 제공함으로써, 미세하고 정확한 온도 제어가 필요한 PCR 칩, 단백질 칩, DNA 칩, 약물주입기(Drug Delivery System), 미세 생물/화학 반응기(Micro Biological/Chemical Reactor), 랩온어칩(Lab-on-a-chip)를 포함한 다양한 바이오 소자에 적용될 수 있다. 또한 본 발명에 의한 저전력형 미세 열 순환 소자 및 그 제조 방법은, 기판의 하부를 식각하여 뛰어난 열적 고립, 열 응답속도, 그리고 균일한 온도 제어가 가능하며, 소량의 시료를 이용하여 여러 가지 서로 다른 시료들을 동시에 빠른 시간 내에 처리할 수 있는 효과가 있다. 또한, 표준 반도체 공정을 사용함으로 일괄 공정이 가능하여 대량생산이 가능하여 제조 단가를 낮춤과 동시에 제조 수율을 높일 수 있고, DNA 검지 소자, 유체제어 소자 및 주변 IC 소자와 하나의 칩안에 모두 집적화하기에 용이함으로써 랩온어칩(Lab-on-a-chip)에 아주 적합하다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (13)

  1. 상부 기판 및 하부 기판이 결합되어 미소 유체에 대한 온도 및 생화학적 반응을 제어하는 저전력형 미소 열순환 소자에 있어서,
    상기 상부 기판은,
    유체가 유입 및 유출되는 입구 및 출구;
    반응이 일어나도록 유체를 한정하는 반응 챔버; 및
    상기 입구 및 출구와 상기 반응 챔버를 연결하는 유로를 포함하고,
    상기 하부 기판은,
    상기 하부 기판 상에 형성되며, 상기 하부 기판 중 소정 영역을 뒷면에서 식각하여 주변부와 열적으로 고립되는 절연성 가열박막;
    상기 절연성 가열박막 상에 형성되며 상기 반응 챔버를 가열하는 가열 수단;
    상기 절연성 가열박막 상에 형성되며 상기 반응 챔버의 온도를 감지하는 온도 센서; 및
    상기 가열 수단 및 온도 센서를 감싸는 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 저전력형 미소 열순환 소자.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 절연성 가열박막은,
    Si3N4, SiO2, Si3N4/SiO2/Si3N4또는 SiO2/Si3N4/SiO2로 이루어지고, 두께는0.1~10 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 저전력형 미소 열순환 소자.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 가열 수단 및 온도 센서는,
    상기 반응 챔버 내부에 형성되는 전극 배선 및
    상기 전극 배선과 연결되며 상기 상부 기판 외부에 형성되는 전극 패드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저전력형 미소 열순환 소자.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 가열 수단 및 온도 센서는,
    금속, 다결정 실리콘, 다결정 GaAs, 다결정 SiGe, 금속산화물 또는 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저전력형 미소 열순환 소자.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 하부 기판은,
    상기 절연성 가열박막 상에 형성되며 상기 절연층 외부로 노출되고, 상기 반응 챔버 내의 생화학적 물질을 감지하기 위한 미소 감지 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저전력형 미소 열순환 소자.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 하부 기판은,
    상기 반응 챔버 내의 생화학적 물질을 감지하기 위한 미소 감지 전극을 더 포함하고,
    상기 미소 감지 전극은 상기 절연층 상에 형성되고, 상기 미소 감지 전극을감싸는 제2 절연층이 상기 절연층 위에 형성되어 있고, 상기 미소 감지 전극은 상기 제2 절연층 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는 저전력형 미소 열순환 소자.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 상부 기판은,
    상기 반응 챔버의 말단에 유체의 이동을 정지시키기 위한 유동 정지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저전력형 미소 열순환 소자.
  8. 가열 수단, 온도 센서, 미소 감지 전극, 절연성 가열박막 및 절연층을 포함하는 하부 기판과 입구, 출구, 반응 챔버 및 유로를 포함하는 상부 기판을 형성하는 단계; 및
    상기 상부 기판 및 하부 기판을 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 항에 의한 저전력형 미소 열순환 소자의 제조방법.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 하부 기판을 형성하는 방법은,
    실리콘 기판의 상부에는 상기 절연성 가열박막을 증착하고, 하부에는 제1 절연막을 증착하는 단계;
    상기 제1 절연막 중 상기 실리콘 기판이 제거되는 부분을 정의하는 영역을 선택적으로 식각하는 단계;
    상기 절연성 가열박막의 상부에 도전층을 증착하고 식각하여 상기 가열 수단, 온도 센서 및 미소 감지 전극을 형성하는 단계;
    전체 구조 상부에 제2 절연막을 증착하고 식각하여 상기 미소 감지 전극을 노출시키고, 상기 가열 수단, 온도 센서 및 미소 감지 전극의 전극 패드 부분을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 절연막을 마스크로 하여 상기 실리콘 기판을 식각하고 상기 절연성 가열박막의 하부면을 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 항에 의한 저전력형 미소 열순환 소자의 제조방법.
  10. 제8 항에 있어서, 상기 하부 기판을 형성하는 방법은,
    실리콘 기판의 상부에는 상기 절연성 가열박막을 증착하고, 하부에는 제1 절연막을 증착하는 단계;
    상기 제1 절연막 중 상기 실리콘 기판이 제거되는 부분을 정의하는 영역을 선택적으로 식각하는 단계;
    상기 절연성 가열박막의 상부에 도전층을 증착하고 식각하여 상기 가열 수단 및 온도 센서를 형성하는 단계;
    전체 구조 상부에 제2 절연막을 증착하는 단계;
    상기 제2 절연막의 상부에 도전층을 증착하고 식각하여 상기 미소 감지 전극을 형성하는 단계;
    전체 구조 상부에 제3 절연막을 증착하고 식각하여 상기 미소 감지 전극을 노출시키고, 상기 가열 수단, 온도 센서 및 미소 감지 전극의 전극 패드 부분을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 절연막을 마스크로 하여 상기 실리콘 기판을 식각하고 상기 절연성 가열박막의 하부면을 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 항에 의한 저전력형 미소 열순환 소자의 제조방법.
  11. 제9 항 또는 제10 항에 있어서, 상기 절연성 가열박막의 상부에 도전층을 증착하기 전에,
    상기 절연성 가열박막과 도전층 사이의 접합과 저항성 접촉을 도와주는 티타늄 등의 박막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 항에 의한 저전력형 미소 열순환 소자의 제조방법.
  12. 제8 항에 있어서, 상기 상부 기판을 형성하는 방법은,
    상기 반응 챔버를 정의하는 마스크를 이용하여 유리 기판을 상기 유로와 반응 챔버의 깊이 차이 만큼 식각하여 제거하는 단계;
    상기 유로 및 반응 챔버를 정의하는 마스크를 이용하여 유리 기판을 식각함으로써 상기 유로 및 반응 챔버를 형성하는 단계; 및
    상기 입구 및 출구를 정의하는 마스크를 이용하여 유리 기판을 식각함으로써 상기 입구 및 출구를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 항에 의한 저전력형 미소 열순환 소자의 제조방법.
  13. 제8 항에 있어서, 상기 상부 기판을 형성하는 방법은,
    상기 상부 기판과 반대 형태의 주형을 형성하는 단계;
    핫 엠보싱 장치를 이용하여, 플라스틱 판과 상기 주형을 결합하고, 성형한 후 분리하는 단계; 및
    평탄화 공정을 통해 상기 입구 및 출구를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 항에 의한 저전력형 미소 열순환 소자의 제조방법.
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