KR100475126B1 - Method for Fabricating Surface-Modified Substrate for Bio-chip - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 바이오칩 기판의 대량생산의 용이성과 제작 단가의 극소화를 이루기 위해, 바이오칩 기판으로 사용될 수 있는 재질의 대형 기판을 준비하고, 상기 대형 기판을 세척하고, 세척된 대형 기판을 혼합용액에 담가 그 표면을 활성화시키고, 이렇게 표면이 활성화된 대형 기판을 그 표면에 특정 작용기가 형성되도록 표면처리하고, 이렇게 표면처리된 대형 기판을 복수개의 바이오칩 기판으로 절단하는 바이오칩 기판의 제조방법을 제공한다. 여기서, 상기 대형 기판의 재질은 유리, 금속, 고분자, 실리콘 및 화합물반도체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다. 또한, 상기 대형 기판을 절단하기 전에 광식각을 이용한 금속 증착이나 레이저 마킹과 같은 반도체 제조공정을 이용하여 상기 대형 기판 표면에 패턴을 형성함으로써, 기판의 기능성과 상품성을 향상시킬 수도 있다.The present invention is to prepare a large substrate of a material that can be used as a biochip substrate, to wash the large substrate, and to immerse the washed large substrate in a mixed solution in order to achieve the ease of mass production of the biochip substrate and to minimize the production cost The present invention provides a method for manufacturing a biochip substrate in which the surface is activated, the large substrate on which the surface is activated is surface treated so that specific functional groups are formed on the surface, and the large surface treated substrate is cut into a plurality of biochip substrates. Here, the material of the large substrate is preferably any one selected from the group consisting of glass, metal, polymer, silicon and compound semiconductor. In addition, before cutting the large substrate, a pattern may be formed on the surface of the large substrate by using a semiconductor manufacturing process such as metal deposition using laser etching or laser marking, thereby improving functionality and marketability of the substrate.
Description
본 발명은 바이오칩 기판의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 반도체 공정에 의해 바이오칩 기판을 대량생산할 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a biochip substrate, and more particularly, to a method for mass production of a biochip substrate by a semiconductor process.
바이오칩이란 유리, 실리콘, 혹은 나일론 등의 재질로 된 작은 기판 위에 DNA, 단백질 등의 바이오 물질을 집적시켜 놓은 것으로 유전자의 발현 양상, 유전자 결함, 단백질 분포, 반응 양상 등을 분석해낼 수 있는 생물학적 마이크로칩을 말하며 질병의 진단, 신약 개발 등에 유용하게 사용될 것으로 기대되어 최근 크게 주목받고 있다.Biochip is a biological microchip that analyzes gene expression patterns, gene defects, protein distribution, and reaction patterns by integrating biomaterials such as DNA and proteins on a small substrate made of glass, silicon, or nylon. It is expected to be useful in the diagnosis of diseases, development of new drugs, etc., and has recently attracted great attention.
이러한 바이오칩의 구성 요소 중 하나인 바이오칩 기판은 일회용이 대부분이므로 바이오칩이 일반화되는 시점에서 연간 소모량은 천문학적 숫자가 될 것이 틀림없다. 현재 국내외의 바이오 및 의료 관련 기업의 경우 이러한 잠재적 거대 시장에서의 시장 선점을 위하여 바이오칩 기판을 이용한 바이오칩 제작에 총력을 기울이고 있다.Since biochip substrates, which are one of the components of such biochips, are mostly disposable, the annual consumption must be astronomical numbers when biochips are generalized. Currently, domestic and overseas bio and medical companies are focusing their efforts on manufacturing biochips using biochip substrates in order to preempt the market in such a huge market.
바이오칩 기판은 바이오 물질의 반응 양상 등을 분석하기 위해 바이오 물질을 집적시켜 놓을 수 있도록 반응성을 지니는 고상 지지체를 일컫는다. 이는 기판(현재 사용되고 있는 바이오칩 기판은 칩을 제조하기 쉽고 값싸며 검출시 용이하기 때문에 대부분 유리 재질의 슬라이드 글라스를 사용함)에 실란, 고분자 등의 표면개질 물질을 코팅함으로써 제작할 수 있다. The biochip substrate refers to a solid support that is reactive so that the biomaterials can be integrated to analyze the reaction patterns of the biomaterials. This can be produced by coating a surface-modifying material such as silane or polymer on a substrate (a biochip substrate currently used is a slide glass made of glass because the chip is easy to manufacture, inexpensive, and easy to detect).
이런 바이오칩 기판과 관련하여 지금까지 제안되어 온 기술은, 주로 기판을 표면개질하기 위한 코팅 물질이나 기판의 종류 등에 관한 연구결과들이다. 그러나, 기존 바이오칩 기판 제작과 관련한 기술들의 가장 큰 취약점은 신뢰성 (즉, 특성의 일관성)과 양산성에 있다. 잘 관리된 기술 공정을 활용한다고 하더라도 기존의 방식대로 개개의 슬라이드 글라스를 표면개질할 경우 제작된 각각의 바이오칩 기판은 그 특성의 일관성이 많이 결여될 수 있다. 실제로 이러한 기존 공정으로 제작된 바이오칩 기판의 경우, 비록 그 분석 값이 허용 오차 한계 내에 있다하더라도 각각의 바이오칩 기판 사이에는 얼마간의 분석값의 차이가 존재한다. 이는 특히 바이오칩을 이용해 정확한 진단을 해야 할 경우 해결해야 할 예측 가능한 문제점이다. 또한, 바이오칩 기판이 일회성 소모품이라는 특성으로 인한 대량 소모라는 관점에서 갖는 기존 기술의 문제는 더욱 심각하다. 예를 들어 백만 개의 칩의 생산을 위하여 기존의 기술은 백만 배치(batch)를 요구하고 있다. 이는 제작 공정의 단가와 양산성에 많은 영향을 주게된다.The technologies that have been proposed so far in relation to such biochip substrates are mainly the results of researches on coating materials or types of substrates for surface modification of the substrate. However, the biggest weaknesses of technologies related to the fabrication of existing biochip substrates are reliability (ie property consistency) and mass production. Even if a well-managed technology process is used, each biochip substrate fabricated by surface modification of individual slide glasses in a conventional manner may lack a lot of consistency in its characteristics. Indeed, in the case of a biochip substrate manufactured by such an existing process, even though the analysis value is within the tolerance, there is some difference in the analysis value between each biochip substrate. This is a foreseeable problem that must be solved, especially if an accurate diagnosis is needed using biochips. In addition, the problem of the existing technology in terms of mass consumption due to the characteristic of the biochip substrate as a one-time consumable is more serious. For example, for the production of one million chips, existing technology requires one million batches. This will greatly affect the cost and mass productivity of the manufacturing process.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 기존 바이오칩 기판 제작 공정상의 문제점을 반도체 공정을 도입함으로써 극복하여 바이오칩 기판의 신뢰성의 향상은 물론 대량생산의 용이성과 제작 단가의 극소화를 이루는데 있다. 특히, 본 발명은 반도체 공정 개념을 도입한 것이므로 인프라와 관련된 장비 및 인력 구성이 매우 용이하다는 점에서 그 우수성이 매우 높다. The technical problem to be achieved by the present invention is to overcome the problems of the existing biochip substrate manufacturing process by introducing a semiconductor process to improve the reliability of the biochip substrate as well as to facilitate the mass production and minimize the production cost. In particular, since the present invention introduces the concept of semiconductor processing, its superiority is very high in that equipment and manpower configuration related to infrastructure are very easy.
본 발명이 이루고자하는 또 다른 기술적 과제는 상기 방법을 바탕으로 광식각 방법 또는 레이져 마킹 등 바이오칩 기판에 패턴 형성 방법을 이용하여 기능성과 상품성을 높이는 데 있다. Another technical problem to be achieved by the present invention is to increase the functionality and marketability by using a pattern forming method on a biochip substrate such as an optical etching method or laser marking based on the above method.
본 발명은, 바이오칩 기판으로 사용될 수 있는 재질의 대형 기판을 준비하고, 상기 대형 기판을 세척하고, 세척된 대형 기판을 혼합용액에 담가 그 표면을 활성화시키고, 이렇게 표면이 활성화된 대형 기판을 그 표면에 특정 작용기가 형성되도록 표면처리하고, 이렇게 표면처리된 대형 기판을 복수개의 바이오칩 기판으로 절단하는 바이오칩 기판의 제조방법을 제공한다.The present invention is to prepare a large substrate of a material that can be used as a biochip substrate, to wash the large substrate, to immerse the washed large substrate in a mixed solution to activate the surface, and thus to activate the large substrate surface The present invention provides a method for manufacturing a biochip substrate in which a specific functional group is formed on a surface of the substrate, and the large surface-treated substrate is cut into a plurality of biochip substrates.
여기서, 상기 대형 기판의 재질은 유리, 금속, 고분자, 실리콘 및 화합물반도체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다. Here, the material of the large substrate is preferably any one selected from the group consisting of glass, metal, polymer, silicon and compound semiconductor.
아울러, 상기 세척된 대형 기판은 혼합용액에 담가져 표면이 -OH기를 갖도록 활성화되는 것이 바람직하고, 상기 특정 작용기는 -NH2, -SH, 에폭시(epoxy), 아크In addition, the washed large substrate is preferably immersed in the mixed solution is activated to have a surface -OH group, the specific functional group is -NH 2 , -SH, epoxy, arc
릴릭(acrylic), 시안토(cyanato), -COOH 및 -CHO 작용기로 이루어지는 군 중에서 선택되는 어느 하나의 작용기인 것이 바람직하다. 또한, 상기 대형 기판을 절단하기 전에 광식각을 이용한 금속 증착이나 레이저 마킹과 같은 반도체 제조공정을 이용하여 상기 대형 기판 표면에 패턴을 형성함으로써, 기판의 기능성과 상품성을 향상시킬 수도 있다.It is preferable that it is any one functional group selected from the group which consists of an acryllic, cyanato, -COOH, and -CHO functional group. In addition, before cutting the large substrate, a pattern may be formed on the surface of the large substrate by using a semiconductor manufacturing process such as metal deposition using laser etching or laser marking, thereby improving functionality and marketability of the substrate.
아울러, 더욱 바람직하게는 상기 대형 기판에 다이아몬드칼을 이용해 일정 깊이의 홈을 형성한 뒤 이 홈을 이용해 절단하거나 레이져 커팅기를 이용해 절단하여 상기 바이오칩 기판을 얻을 수도 있는데, 이 때, 상기 절단은 미세 먼지에 의한 기판의 오염을 방지하기 위해 청정실에서 행해질 수도 있고, 상기 절단시 발생하는 기판의 입자가 블로잉(blowing)에 의해 제거될 수도 있다. In addition, more preferably, a groove having a predetermined depth may be formed on the large substrate using a diamond knife and then cut using the groove or cut using a laser cutting machine to obtain the biochip substrate, wherein the cutting is fine dust. It may be done in a clean room to prevent contamination of the substrate by, and particles of the substrate generated during the cutting may be removed by blowing.
이하에서, 현재 바이오칩 기판으로 가장 널리 사용되고 있는 슬라이드글라스를 일례로 들어, 이 슬라이드 글라스와 같은 재질의 대형 유리기판으로부터 바이오칩 기판용 슬라이드 글라스를 제조하는 방법을 설명한다. 그러나, 이는 본 발명의 바람직한 일실시예에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에 속하는 당업자는 아래의 바람직한 일실시예에 기초하여 청구범위에서 제시된 본 발명의 범위내에서 얼마든지 수정이나 변경을 가할 수 있다. Hereinafter, a method of manufacturing a slide glass for a biochip substrate from a large glass substrate made of the same material as the slide glass will be described, taking as an example a slide glass which is most widely used as a biochip substrate. However, this is only a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to make any modifications or changes within the scope of the present invention as set forth in the claims based on the following preferred embodiments. Can be.
먼저, 본 발명의 설명 및 청구범위에서 사용된 "대형 기판"의 의미는 통상의 바이오칩 기판보다 커서 절단에 의해 복수개의 바이오칩 기판을 제조할 수 있는 기판을 의미한다. First, as used in the description and claims of the present invention, the term "large substrate" refers to a substrate that can produce a plurality of biochip substrates by cutting because it is larger than a conventional biochip substrate.
먼저 슬라이드 글라스와 동일한 재질의 대형 기판을 준비하였다. 이때 기판의 형태는 원형 또는 각형일 수 있으며 그 두께, 크기 및 재질에는 제한이 없다. 이러한 대형 기판을 통상의 반도체에서 활용되는 세척 방법을 이용하여 기판을 세척하였다. 예를 들어 아세톤, 메탄올, 에탄올, 초순수(DI water) 순으로 10분씩 초음파 세척을 시켜줌으로써 표면의 유기물과 먼지 등을 제거하였다.First, a large substrate of the same material as the slide glass was prepared. In this case, the shape of the substrate may be circular or rectangular, and the thickness, size, and material thereof are not limited. Such large substrates were cleaned using a cleaning method utilized in conventional semiconductors. For example, by acetone, methanol, ethanol, ultrapure water (DI water) for 10 minutes by ultrasonic cleaning to remove organic matter and dust on the surface.
그 후, 대형 기판의 표면을 -OH기로 활성화시키기 위해 황산:과산화수소를 3:1로 섞은 혼합용액에 30분 정도 반응시킨 후 초순수로 세척하였다. 경우에 따라서는, 대형 기판의 표면을 -OH기로 활성화시키기 위해 수산화나트륨용액에 예를들면 1시간 내지 24시간과 같이 여러 시간 동안 담갔다가 초순수로 세척하는 방법을 이용하기도 하였다. Thereafter, the surface of the large substrate was reacted for about 30 minutes with a mixed solution of sulfuric acid: hydrogen peroxide mixed with 3: 1 to activate the -OH group, followed by washing with ultrapure water. In some cases, a method of immersing the surface of a large substrate in -OH group in a sodium hydroxide solution for several hours, for example, from 1 hour to 24 hours, was used to wash with ultrapure water.
이렇게 활성화된 대형 기판은 실란(silane) 등의 용액에 담가 표면개질시켜 대형 기판 표면에 -NH2, -SH, 에폭시(epoxy), 아크릴릭(acrylic), 시안토(cyanato), -COOH 혹은 -CHO 작용기를 생성시켰다. 이들 작용기들은 추후 바이오칩 기판 표면에 DNA 가닥이나 단백질 분자들을 고정화시키는데 유효하다. 이 중 특히, 표면에 -NH2 및 -SH 작용기가 형성된 슬라이드 글라스는 DNA 가닥 및 단백질 분자 등을 고정화시킬 수 있고, 표면에 -CHO 작용기가 형성된 슬라이드 글라스는 특히 올리고뉴클레오 DNA 가닥을 공유결합에 의해 고정화시킬 수 있다.The activated large substrate is immersed in a solution such as silane to modify the surface of the substrate by -NH 2 , -SH, epoxy, acrylic, cyanato, -COOH or -CHO. The functional group was created. These functional groups are later effective for immobilizing DNA strands or protein molecules on the biochip substrate surface. In particular, the slide glass formed with -NH 2 and -SH functional groups on the surface can immobilize DNA strands and protein molecules, and the slide glass formed with -CHO functional groups on the surface is particularly covalently bonded to the oligonucleo DNA strand. Can be immobilized.
이렇게 제작된 대형 기판은 슬라이드 글라스 크기인 25mm×75mm(76mm) 또는 1 inch × 3 inch 사이즈로 다이아몬드칼을 구비한 스크라이빙(scribing) 장비를 이용하거나 레이저 커팅기를 이용하여 절단함으로써 바이오칩 기판 제품으로 완성되었다. 절단 시, 기판 표면은 가능하면 접촉을 최소화해야 한다. 따라서, 특히 스크라이빙 장비를 이용해 제품을 절단하기 위해, 표면개질된 대형 유리기판을 진공(vacuum) 척에 고정시킬 때 정렬(align)되어 있는 위치에 정확하게 한번에 맞춰 넣어야 한다. 만약 정렬이 맞지 않은 상태로 표면개질된 대형 유리기판을 진공 척에 내려놓게 되면 바닥에 닿은 상태로 정렬을 맞추기 위해 상기 대형 유리기판을 움직여야 하고 그렇게 되면 대형 유리기판 표면에 스크래치(scratch)가 발생한다. 표면개질은 분자 단위의 막이 코팅된 것이기 때문에 이러한 미세한 스크래치도 추후 여러 문제를 발생시킬 수 있다. 따라서, 절단 시 스크래치 발생이 없도록 주의해야 한다. 또한 절단 시 표면에 유리 입자(particle)나 먼지 등의 오염이 없도록 하기 위해 절단 작업을 청정실 안에서 수행하였다. 아울러, 스크라이빙을 하다 보면 깨진 유리 입자 등이 표면에 떨어지게 되는데, 이를 질소 건 등을 이용해 블로잉(blowing)해 준 후 낱개로 잘라내었다. 스크라이빙 장비는 글라스 표면에 다이아몬드 칼을 이용해 일정 깊이의 홈을 파는 것으로 이렇게 홈이 파여진 글라스를 양손을 이용해 잘라내야 한다. 이때 손자국이 남지 않도록 하기 위해 작업 시 항상 비닐장갑(poly glove)을 착용해야 한다. 만약 표면이 오염된 칩을 사용하게 되면 정확한 결과를 얻을 수 없기 때문이다. The large substrate thus manufactured is cut into a biochip substrate product by using a scribing device equipped with a diamond knife or a laser cutting machine in a size of 25 mm x 75 mm (76 mm) or 1 inch x 3 inch, which is a slide glass size. It is finished. In cutting, the substrate surface should minimize contact as much as possible. Therefore, in order to cut the product, especially with scribing equipment, the large surface-modified glass substrate must be precisely aligned at the same time in the aligned position when it is fixed to a vacuum chuck. If the surface-modified large glass substrate is placed on the vacuum chuck with misalignment, the large glass substrate must be moved to bring the alignment into contact with the floor, and then scratches occur on the surface of the large glass substrate. . Since surface modification is a coating of molecular units, such minute scratches can cause various problems later. Therefore, care should be taken to avoid scratching during cutting. In addition, the cutting operation was performed in a clean room to prevent contamination of glass particles or dust on the surface during cutting. In addition, when scribing, the broken glass particles fall on the surface, which is blown with a nitrogen gun and cut into pieces. The scribing equipment uses a diamond knife to dig a certain depth into the glass surface. The grooved glass must be cut with both hands. You should always wear a poly glove when you work to make sure you don't leave any fingerprints. If you use chips with contaminated surfaces, you will not get accurate results.
25mm×75mm(76mm) 또는 1 inch × 3 inch 크기는 현재 상용화된 제품의 크기이며 제품을 사용하는데 필요한 장비들(마이크로어레이어, 마이크로스캔너 등)이 현재 이 크기를 수용하도록 규격화되어 있다. 따라서, 최종단계에서 이 크기로 제작을 하였다. 그러나 필요에 따라서 다양한 크기로 절단할 수가 있어 다양한 크기의 제품 제작이 가능하다. The 25 mm x 75 mm (76 mm) or 1 inch x 3 inch size is the size of a commercially available product and the equipment necessary to use the product (microlayer, microscanner, etc.) is now standardized to accommodate this size. Therefore, this size was produced at the final stage. However, it can be cut into various sizes as needed, making it possible to manufacture products of various sizes.
이렇게 제작된 표면개질된 슬라이드 글라스는 DNA 마이크로어레이 칩을 제작하는데 뿐만 아니라 단백질 및 여러 작은 생물 분자 등을 고정화시킬 수 있는 바이오칩의 기판 역할을 수행한다. The surface-modified slide glass thus produced serves as a substrate of a biochip capable of immobilizing proteins and various small biological molecules as well as manufacturing DNA microarray chips.
본 발명에 따른 방법으로 바이오 칩을 제작할 경우, 종래의 방법에서처럼 기판의 표면개질 공정을 하나의 슬라이드 글라스 상에 수행하여 한 공정 당 하나의 칩을 제작한 것과 비교하여 대형 기판에 표면개질 공정을 수행한 후 슬라이드 글라스 크기로 절단함으로써 한 번에 대량의 바이오칩 기판을 만들 수 있다.In the case of manufacturing a biochip by the method according to the present invention, the surface modification process of the substrate is performed on a slide glass as in the conventional method to perform a surface modification process on a large substrate compared to the manufacture of one chip per process After cutting to slide glass size, a large amount of biochip substrates can be made at one time.
또한 본 발명에 따른 방법은 반도체 공정을 이용함으로써 동일 배치(batch)에서 제작된 많은 바이오칩 기판 중 하나만을 샘플링하여도 전체에 대한 특성 평가가 가능하며 이미 상용화된 반도체 장비를 활용함으로써 공정상의 숙련도 및 신뢰성을 극대화할 수 있을 뿐 아니라 대량 생산에도 유리하다.In addition, the method according to the present invention is capable of evaluating the overall characteristics even by sampling only one of many biochip substrates manufactured in the same batch by using a semiconductor process. In addition to maximizing the efficiency, it is also advantageous for mass production.
본 발명에 따른 또 다른 효과는 바이오칩 기판에 마이크로어레이의 돗팅(dotting) 위치나 다양한 로고 등을 나타내기 위한 패턴을 형성하는 데에도 슬라이드 글라스에서 수행하는 것 보다 대형 기판에 공정을 수행하는 것이 유리하다는 점이다. 패턴 형성 방법의 예로 광식각 방법을 사용할 때, 기판의 크기와 동일한 크기의 포토 마스크를 제작하고 이 마스크가 원하는 크기의 패턴을 여러 개 가지도록 함으로써 한 번의 노광 공정에 의하여 여러 개의 기판 패턴이 만들어 질 수 있다.Another effect according to the present invention is that it is advantageous to perform a process on a large substrate rather than a slide glass to form a pattern for displaying a dotting position of a microarray or various logos on a biochip substrate. Is the point. As an example of the pattern formation method, when the photolithography method is used, several substrate patterns can be formed by one exposure process by making a photo mask having the same size as the substrate size and having the mask have a plurality of patterns having a desired size. Can be.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르는 경우, 바이오칩 기판을 제조하기 위하여 한 장의 슬라이드 글라스에 수행되는 것과 동일한 단일 공정에 대형 기판을 사용함으로써 단시간에 많은 수의 바이오칩 기판을 제작할 수 있고, 많은 수의 바이오칩 기판이 단일 동일 공정 하에서 제작되기 때문에 생산 관리가 매우 용이하고, 단일 공정으로 다수의 바이오칩 기판이 제작되므로 공정 단가가 매우 낮아지며, 한 장의 대형 기판에서 제작된 개개의 바이오칩 기판은 동일한 특성을 가지므로 품질관리가 매우 용이해지고, 대형 기판을 이용하여 바이오칩 기판을 제작할 경우, 바이오칩 기판의 기능성과 상품성을 부각시킬 수 있는 패턴 형성이 효율성 면에서 유리해진다. As described above, according to the present invention, a large number of biochip substrates can be produced in a short time by using a large substrate in the same single process as performed on one slide glass to manufacture a biochip substrate, and a large number of biochips Production control is very easy because the substrates are manufactured under a single process, and the cost of processing is very low because a large number of biochip substrates are manufactured in a single process, and each biochip substrate manufactured on one large substrate has the same characteristics. The management becomes very easy, and when manufacturing a biochip substrate using a large substrate, it is advantageous in terms of efficiency to form a pattern that can highlight the functionality and commerciality of the biochip substrate.
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