KR100467387B1 - 기공을 포함하는 기판 - Google Patents

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Abstract

기공(P)의 표면에는 전자기적 방사광을 반사하기 위한 코팅이 형성되어 있다. 상기 코팅은 하나 또는 그 이상의 중첩하는 층(A1, B1)을 포함한다. 만약 기판(1)이 실리콘으로 형성된다면, 상기 층(A1, B1)은 CVD 공정을 통해 증착될 수 있는 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 층(A1, B1)은 바람직하게는 SiO2, 폴리실리콘, 실리콘 질화물 또는 텅스텐으로 형성된다. 기판(1)이, 예를 들어, 상기 코팅이 형성된 기공(P)의 표면에 도포된 형광 분자(M)를 검출하는데 사용되는 바이오칩의 부품으로서 제공된다. 기판(1)은 광섬유 도광판(fiber-optic light guide)의 일부가 될 수 있다. 상기 코팅은 바람직하게는 400nm와 700nm 사이의 파장을 갖는 전자기적 방사광을 최적 반사하도록 구성된다.

Description

기공을 포함하는 기판{SUBSTRATE WITH AT LEAST ONE PORE}
바이오칩은 특정 DNA 서열의 존재에 관하여 DNA 서열의 용액을 검사하는 데 사용될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 검출하고자 하는 각각의 DNA 서열에 대하여, 상보형 DNA 서열이 생성되어, 바이오칩의 기판의 한 영역에 도포된 후, 접착층에 의해 고정된다. 검출하고자 하는 DNA 서열은 기판상에서 각각에 할당된 영역을 갖는다. 용액 속의 DNA 서열 각각은 화학적 공정에 의해 형광 분자와 결합되고 용액은 이이서 바이오칩의 기판 위에 도포된다. DNA 서열의 용액으로부터 검출하고자 하는 DNA 서열만이 제각각의 상보형 DNA 서열과 결합한다. 남은 용액을 제거한 후, 기판을 노광시켜, 형광 분자로부터 빛(LIGHT)이 방출되는지, 그리고 방출된다면 기판의 어느 영역으로부터인지가 측정된다. 검출하고자 하는 특정 DNA 서열은 각각의 영역에 할당되므로, 검출하고자 하는 DNA 서열이 용액에 존재하는지의 여부 뿐 아니라 검출하고자 하는 DNA 서열 중 어느 것이 용액에 존재하는지도 결정될 수 있다.
아피메트릭스(AFFIMETRIX)사는 평탄한 표면을 갖는 기판을 포함하는 바이오칩을 판매한다.
검출하고자 하는 DNA 서열의 검출 감도를 증가시킴으로써 형광 분자의 검출 감도를 높이기 위하여, 미국 특허 제 5,843,767 호는 다공질 유리 또는 다공질 실리콘 기판을 바이오칩의 기판으로서 사용하는 것을 제안하고 있다. 기공(PORE)에 의해 기판의 유효 표면 면적을 증가시킴으로써, 기판의 보다 넓은 영역에 상보형 DNA 서열이 제공될 수 있어 결과적으로 상보형 DNA 서열과 검출하고자 하는 DNA 서열이 더 많이 결합할 수 있게 되며, 이에 따라, 영역당, 즉 검출하고자 하는 DNA 서열당, 형광에 의해 방출되는 빛의 양이 증가한다. 특히, 용액이 기판의 모든 유효 표면 부위와 쉽게 접촉할 수 있도록 하기 위해, 기공은 기판에서 한쪽 표면으로부터 이 한쪽 표면에 대향하는 반대쪽 표면까지 연장된다. 용액은 기공을 통해 흐를 수 있어서 기공의 표면들과 접촉할 수 있게 된다.
본 발명은 적어도 하나의 기공을 포함하는 기판에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 예시적 실시예를 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 기공, 제 1 층 및 제 2 층을 갖는 제 1 기판의 단면을 도시하며, 형광 분자를 여기시키는(STIMULATING) 빛의 경로와 형광 분자에 의해 방사되는 빛의 경로를 표시한다.
도 2a는 코팅된 제 1 기판의 반사율의 상관관계를 반사될 전자기적 방사광의 입사각과 파장의 함수로서 3차원적으로 도시한다.
도 2b는 도 2a에 도시된 상관관계를 2차원적으로 도시한다.
도 3a는 코팅되지 않은 실리콘 표면의 반사율의 상관관계를 반사될 전자기적 방사광의 입사각과 파장의 함수로서 3차원적으로 도시한다.
도 3b는 도 3a에 도시된 상관관계를 2차원적으로 도시한다.
도 4는 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층을 갖는 제 2 기판의 단면을 도시한다.
도 5a는 코팅된 제 2 기판의 반사율의 상관관계를 반사될 전자기적 방사광의 입사각과 파장의 함수로서 3차원적으로 도시한다.
도 5b는 도 5a에 도시된 상관관계를 2차원적으로 도시한다.
도 6은 제 1 층, 제 2 층, 제 3 층 및 제 4 층을 갖는 제 3 기판의 단면을 도시한다.
도 7a는 코팅된 제 3 기판의 반사율의 상관관계를 반사될 전자기적 방사광의 입사각과 파장의 함수로서 3차원적으로 도시한다.
도 7b는 도 7a에 도시된 상관관계를 2차원적으로 도시한다.
도 1, 4 및 6은 실제 축척을 따르지 않는다.
본 발명의 목적은 적어도 하나의 기공(PORE)을 갖는 기판을 제공하는 것이며, 이러한 기판은 종래 기술에 비해 향상된 형광 분자의 검출 감도를 갖는 바이오칩의 일부로서 적합하다.
상기 목적은 적어도 하나의 기공을 갖는 기판에 의해 달성될 수 있으며, 상기 기공의 적어도 한 표면에는 전자기적 방사광을 반사하기 위한 코팅이 제공된다.
상기 기판은 기공들을 더 포함할 수 있으며, 이러한 기공들은 상기 기공과 동일한 구성을 갖는다. 이러한 기판은 코팅이 제공된 기공들의 표면에 도포된 형광 분자를 검출하기 위한 바이오칩의 일부일 수 있다.
코팅을 사용함으로써, 형광 분자의 형광을 통해 방출되고 형광 분자의 검출동안 측정되는 전자기적 방사광은 기공의 출구단 쪽으로의 진행 중 보다 적게 손실된다. 방출된 방사광은 코팅으로 인해 기공의 내부에서 더욱 강하게 반사되고 더 적게 흡수되어, 측정되는 전자기적 방사광의 양을 증가시켜, 결과적으로 검출 감도가 향상된다.
특히, 형광 분자의 용액이 기공의 모든 표면에 쉽게 도달할 수 있도록 하기 위해, 기공은 기판의 한쪽 표면으로부터 이 한쪽 표면에 대향하는 반대쪽 표면까지 연장되는 것이 바람직하다. 용액은 기공을 통해 펌핑(PUMPING)될 수도 있다.
기판은 형광 분자 검출 이외의 목적으로도 사용될 수 있다. 예를 들어, 기판은 광 도파관으로 사용되거나 광 도파관의 일부로 사용되어, 반사를 통해 빛을 기공의 일끝단에서 타끝단으로 전달한다. 유리 섬유(GLASS FIBER)와 비교하면 이러한 광 도파관은, 입사 및 방출시에, 빛이 광 도파관의 재질과 공기 사이의 임의의 경계면을 통과할 필요가 없다는 장점을 가지며, 이러한 경계면은 일반적으로 반사면으로 작용함으로써 결과적으로 광도(LIGHT INTENSITY)를 감소시킨다.
기판이 바이오칩의 일부로 사용되고, 이 바이오칩에서 700nm에서 400mm 사이의 파장을 갖는 전자기적 방사광을 방출하는 형광 분자가 검출되어야 한다면, 코팅은 정확히 그러한 파장을 갖는 전자기적 방사광을 최적으로 반사하도록 구성되는 것이 바람직하다.
만약 전자기적 방사광이 기공을 떠나기 전에 그 내부에서 다수회 반사된다면, 그 광도는 그만큼 작아질 것이다. 코팅의 반사율은 전자기적 방사광의 입사각에도 의존하므로, 코팅은 특정 입사각에 대하여 최적화될 수 있다. 바람직하게는, 코팅은 전자기적 방사광이 평균적으로 단지 약 3회 또는 4회 반사되는 입사각에 대하여 코팅을 최적화된다. 이 경우, 최적화는 깊이 및 지름과 같은 기공의 크기에도 의존한다.
방출된 방사광을 검출하기 위한 수렴 광학계(CONVERGING OPTICS)의 개구(APERTURE) 및 기판으로부터 이격 거리 역시 최적화 동안 고려될 수 있는 사항이다. 수렴 광학계는 광학 렌즈를 포함하며, 상기 이격 거리에 의존하는 최소 각도보다 큰 각도로 방출된 방사광만을 수신할 수 있다. 최적화는 이러한 각도에 대하여 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 기공에 위치한 매개체의 굴절률 및, 기판과 수렴 광학계 사이에 존재할 수 있는 중간층들의 굴절률 역시 최적화 동안 고려될 수 있다. 여기 전자기적 방사광(STIMULATING ELECTROMAGNETIC RADIATION)의 파장도 역시 고려될 수 있다.
코팅은, 50도에서 90도 사이의 입사각으로 코팅을 치는 전자기적 방사광을 최적으로 반사하도록 구성되는 것이 바람직하다. 특히, 이때의 입사각은 약 70도일 수 있다.
기판은 예를 들어 유리로 형성된다.
기판은 바람직하게는 실리콘으로 형성되는데, 이는 실리콘으로 형성하는 것이 유리로 형성하는 것보다 용이하기 때문이다. 또한, 실리콘은 넓은 주파수 범위 전체에 걸쳐 전자기적 방사광에 대해 불투과성이므로, 서로 다른 기공으로부터의 전자기적 방사광은 서로 다른 상보형 DNA 서열이 제공된 기판의 영역들에 속하며, 유리의 경우와 비교하여 무시할 수 있는 정도로 함께 혼합된다.
실리콘으로 기판을 형성하는 경우, 기판은 마이크로일렉트로닉스 (MICROELECTRONICS)로부터의 표준 공정을 이용하여 제조할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
코팅은 예를 들어 단층(single layer)으로 구성될 수 있다.
코팅은 금속을 포함할 때 특히 양호한 반사율을 갖는다. 코팅은 바람직하게는 텅스텐을 포함하며, 이는 CVD 공정이 약 1000nm 미만의 직경에 10㎛를 초과하는 깊이를 갖는 기공의 표면에도 텅스텐을 증착하는데 이용될 수 있기 때문이다.
기판보다 유전 상수가 큰 유전층 역시 코팅으로서 적합하다.
반사율을 높이기 위하여, 코팅은 상하로 배열된 적어도 두 개의 층으로 구성될 수도 있다. 이때, 높은 유전 상수와 낮은 유전 상수를 갖는 층들이 교대로 배열되는 것이 바람직하다.
상술한 층들 중 적어도 하나는 SiO2, 폴리실리콘(POLYSILICON) 또는 실리콘 질화물로 형성하는 것이 바람직하며, 이는 마이크로일렉트로닉스의 표준 공정을 이용하여 이러한 소재들을 제조할 수 있기 때문이다.
상기 코팅의 최외곽 층, 말하자면 전자기적 방사광이 처음 입사(encounter)되는 층은 바람직하게는 SiO2또는 폴리실리콘으로 형성되며, 이는 상보적 DNA 서열을 이들 소재에 고정할 수 있는 방법이 알려져 있기 때문이다.
바람직하게는 코팅의 모든 층들이 SiO2, 폴리실리콘 또는 실리콘 질화물로 형성된다.
기판 위에 제 1 층을 배열하고 제 1 층 위에 제 2 층을 배열하여 코팅을 구성할 경우, 높은 반사율과 낮은 공정 비용을 함께 달성할 수 있다.
이때, 제 1 층은 바람직하게는 SiO2또는 실리콘 질화물로 형성되며, 제 2 층은 바람직하게는 폴리실리콘으로 형성된다.
코팅을 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층으로 구성하는 경우, 더 양호한 반사율이 얻어지며, 이때 제 1 층은 기판 위에, 제 2 층은 제 1 층 위에, 제 3 층은 제 2 층 위에 형성된다.
이때, 예를 들어 제 1 층 및 제 3 층은 실리콘 질화물 또는 SiO2로 형성되며, 제 2 층은 예를 들어 폴리실리콘으로 형성된다.
코팅을 기판 위에 배열된 제 1 층, 제 1 층 위에 배열된 제 2 층, 제 2 층 위에 배열된 제 3 층, 및 제 3 층 위에 배열된 제 4 층으로 구성할 경우 보다 더높은 반사율이 얻어 진다.
이때, 제 1 층과 제 3 층은 예를 들어 실리콘 질화물 또는 SiO2로 형성되며, 제 2 층과 제 4 층은 예를 들어 폴리실리콘으로 형성된다.
코팅의 최적화시, 코팅을 구성하는 층들의 두께는 제각각의 요구 조건에 부합되도록 한다.
제 1 예시적 실시예에 있어, 제 1 실리콘 기판(1)이 제 1 바이오칩의 일부로서 제공되며, 제 1 기판(1)에는 한쪽 표면으로부터 이 한쪽 표면에 대향하는 기판의 반대쪽 표면까지 연장된 기공(P)이 배열된다(도 1 참조). 기공(P)은 약 500 ㎛의 깊이와 약 10 ㎛의 직경을 갖는다.
기공의 표면 및 기판에는 전자기적 방사광을 반사하기 위한 코팅이 제공되며, 이러한 코팅은 제 1 층(A1) 및 제 1 층의 상부에 배열되는 제 2 층(B1)으로 구성된다(도 1 참조). 제 1 층(A1)은 약 150nm의 두께를 가지며 SiO2로 형성된다. SiO2로 형성된 제 1 층(A1)은 열산화에 의하여 생성된다. 제 2 층(B1)은 약 29nm의 두께를 가지며 폴리실리콘으로 형성된다. 제 2 층(B1)은 CVD 공정으로 폴리실리콘을 증착하여 생성된다.
도 1은 바이오칩을 사용하여 형광 분자가 검출되는 방식을 도시한다. 약 400nm의 파장을 갖는 여기광(STIMULATING LIGHT)이 기공(P) 중의 어느 하나에 들어가며, 이 기공(P)은 코팅이 제공된 기공의 표면 위에 배열된 형광 분자(M)를 갖는다. 형광 분자(M)는 여기광에 의해 여기되어, 특정 확률로 약 600nm의 파장을 갖는 빛을 방출하되, 방출된 빛이 70도의 입사각(Θ= 70˚)으로 기공(P)의 표면에 부딪치는 방향으로 방출하고, 기공(P)을 빠져 나가 검출될 수 있을 때까지 반복적으로 반사된다. 층들(A1, B1)의 두께는 약 70도의 각도로 부딪치고 약 450nm에서 660nm 사이의 파장을 갖는 전자기적 방사광에 대하여 최적 반사율이 달성되도록 선택된다.
도 2a 및 2b는 코팅된 제 1 기판(1)의 반사율을 반사될 전자기적 방사광의 입사각과 파장의 함수로서 도시한다. 반사율이란 전자기적 방사광의 반사 전 세기에 대한 반사 후 세기의 비율을 말한다. "a2"로 표시된 영역은 0.9와 1 사이의 반사율을 나타낸다(a2 = 0.9 내지 1). 다음이 마찬가지로 적용된다.
b2 = 0.8 내지 0.9
c2 = 0.7 내지 0.8
d2 = 0.6 내지 0.7
e2 = 0.5 내지 0.6
f2 = 0.4 내지 0.5
g2 = 0.3 내지 0.4
h2 = 0.2 내지 0.3
도 3a 및 3b는 코팅이 없는 실리콘 표면의 반사율의 상관관계를 반사될 전자기적 방사광의 입사각과 파장의 함수로서 도시한다. 다음은 영역의 표시에 적용된다.
a1 = 0.9 내지 1
b1 = 0.8 내지 0.9
c1 = 0.7 내지 0.8
d1 = 0.6 내지 0.7
e1 = 0.5 내지 0.6
f1 = 0.4 내지 0.5
g1 = 0.3 내지 0.4
h1 = 0.2 내지 0.3
도 2a 및 2b와 도 3a 및 3b의 비교를 통해, 거의 모든 각도, 즉, 약 85 도 미만의 각도 및 450nm와 660nm 사이의 파장에 대하여, 제 1 기판(1)의 반사율은 코팅되지 않은 실리콘 표면에 비해 크게 증가하는 것을 알 수 있다.
제 2 실시예에서는 제 2 기판(2)을 갖는 제 2 바이오칩이 제공되며, 제 2 바이오칩은 코팅이 제 1 층(A2), 제 1 층(A2) 위에 배열된 제 2 층(B2), 및 제 2 층(B2) 위에 배열된 제 3 층(C2)으로 이루어진 점을 제외하면 제 1 바이오칩과 동일한 구성을 갖는다(도 4 참조). 제 1 층(A2)은 약 185nm의 두께를 가지며 SiO2로 형성된다. 제 2 층(B2)은 약 33nm의 두께를 가지며 폴리실리콘으로 형성된다. 제 3 층(C2)은 약 134nm의 두께를 가지며 실리콘 질화물로 형성된다. 상기 층들(A2, B2, C2)의 두께는 약 70도의 각도로 부딪치고 약 450nm에서 660nm 사이의 파장을 갖는 전자기적 방사광에 대하여 최적 반사율이 달성되도록 선택된다.
파장은 공기와 관련된 값이므로, 공기 이외의 매개체, 예를 들면 수용액이 기공(P2) 안에서 사용된 경우라면 상기 층들(A2, B2, C2)의 두께는 그 최적화에 있어 어느 정도 변경된 값을 갖는다. 다른 예시적인 실시예에도 이와 유사한 사항이 적용된다.
도 2a 및 2b와 도 5a 및 5b의 비교를 통해, 소정의 파장과 입사각에 대해 제 2 기판(2)의 반사율이 제 1 기판(1)의 반사율에 비해 향상된 것을 알 수 있다. 다음은 도 5a 및 5b에 도시된 영역의 표시에 적용된다.
a3 = 0.9 내지 1
b3 = 0.8 내지 0.9
c3 = 0.7 내지 0.8
d3 = 0.6 내지 0.7
e3 = 0.5 내지 0.6
f3 = 0.4 내지 0.5
g3 = 0.3 내지 0.4
h3 = 0.2 내지 0.3
제 3 실시예에서는 제 3 기판(3)을 갖는 제 3 바이오칩이 제공되며, 제 3 바이오칩은 코팅이 제 1 층(A3), 제 1 층(A3) 위에 배열된 제 2 층(B3), 제 2 층(B3) 위에 배열된 제 3 층(C3), 및 제 3 층(C3) 위에 배열된 제 4 층(D3)으로 이루어진 점을 제외하면 제 1 바이오칩과 동일한 구성을 갖는다(도 6 참조). 제 1 층(A3)은 약 191nm의 두께를 가지며 SiO2로 형성된다. 제 2 층(B3)은 약 33nm의 두께를 가지며 폴리실리콘으로 형성된다. 제 3 층(C3)은 약 93nm의 두께를 가지며 실리콘 질화물로 형성된다. 제 4 층(D3)은 약 27nm의 두께를 가지며 폴리실리콘으로 형성된다. 상기 층들(A3, B3, C3, D3)의 두께는 전자기적 방사광이 약 70도의 입사각으로 부딪치고 450nm에서 660nm 사이의 파장을 가질 때 최적으로 반사되도록 선택된다.
도 5a 및 5b와 도 7a 및 7b의 비교를 통해, 제 3 기판(3)의 반사율이 제 2 기판(2)의 반사율에 비해 높아진 것을 알 수 있다. 다음은 도 7a 및 7b에 도시된 영역에 적용된다.
a4 = 0.9 내지 1
b4 = 0.8 내지 0.9
c4 = 0.7 내지 0.8
d4 = 0.6 내지 0.7
e4 = 0.5 내지 0.6
f4 = 0.4 내지 0.5
상술한 예시적 실시예의 다양한 변형이 고찰될 수 있으며, 이러한 변형 역시 본 발명의 범위에 속한다. 예를 들어, 코팅은 네 개 보다 더 많은 층으로 구성될 수 있다. 세가지 예시적 실시예에서 사용된 층들은 다른 재질로도 제작될 수 있으며, 이들 층의 두께는 다른 입사각과 다른 파장을 갖는 전자기적 방사광에 대하여 최적화될 수 있다. 세가지 예시적 실시예의 기공은 광 도파관으로도 적합하며, 이 경우 기공은 만곡될 수 있다.

Claims (15)

  1. 기공(PORE)을 포함하는 기판에 있어서,
    상기 기공(P)은 전자기적 방사광이 반사에 의해 상기 기공의 일 끝단으로부터 상기 기공(P)의 다른 끝단으로 전달될 수 있도록 전자기적 방사광을 반사하는 코팅이 제공된 내부 표면을 갖고,
    상기 기공(P)은 상기 기판의 한쪽 표면으로부터, 상기 한쪽 표면에 대향하는 상기 기판의 반대쪽 표면까지 연장되어, 용액이 상기 기공을 통해 펌핑될 수 있는
    기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅은 텅스텐을 포함하는
    기판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅은 순차적으로 적층된 적어도 두 개의 층으로 구성되는
    기판.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 층 중에서 적어도 하나는 SiO2, 폴리실리콘 또는 실리콘 질화물로 형성되는
    기판.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 코팅은 상기 기판 위에 배열된 제 1 층, 및 상기 제 1 층 위에 배열된 제 2 층으로 구성되는
    기판.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 층은 SiO2또는 실리콘 질화물로 형성되고,
    상기 제 2 층은 폴리실리콘으로 형성되는
    기판.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 코팅은 상기 기판 위에 배열된 제 1 층, 상기 제 1 층 위에 배열된 제 2 층, 및 상기 제 2 층 위에 배열된 제 3 층으로 구성되는
    기판.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 층과 상기 제 3 층은 SiO2또는 실리콘 질화물로 형성되고,
    상기 제 2 층은 폴리실리콘으로 형성되는
    기판.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 코팅은 상기 기판 위에 배열된 제 1 층, 상기 제 1 층 위에 배열된 제 2 층, 상기 제 2 층 위에 배열된 제 3 층, 및 상기 제 3 층 위에 배열된 제 4 층으로 구성되는
    기판.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 층과 상기 제 4 층은 폴리실리콘으로 형성되고,
    상기 제 1 층과 상기 제 3 층은 실리콘 질화물 또는 SiO2로 형성되는
    기판.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    추가 기공(P)을 포함하되, 상기 추가 기공(P) 각각은 전자기적 방사광이 반사에 의해 상기 추가 기공(P) 각각의 일 끝단으로부터 상기 추가 기공(P) 각각의 다른 끝단으로 전달될 수 있도록 전자기적 방사광을 반사하는 코팅이 제공된 내부 표면을 갖고, 상기 추가 기공(P) 각각은 상기 기판의 한쪽 표면으로부터 상기 한쪽 표면에 대향하는 반대쪽 표면까지 연장되어, 용액이 상기 추가 기공 각각을 통해 펌핑될 수 있고,
    상기 기판은 상기 코팅이 제공된 상기 기공(P) 및 상기 추가 기공(P)의 표면에 도포된 형광 분자(M)를 검출하는 바이오칩의 일부인
    기판.
  12. 제 1 내지 제 10 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    광 도파관의 일부인
    기판.
  13. 제 1 내지 제 10 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 코팅은 400nm와 700nm사이의 파장을 갖는 전자기적 방사광을 최적 반사하도록 구성되는
    기판.
  14. 제 1 내지 제 10 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘으로 형성되는
    기판.
  15. 삭제
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