KR100772038B1 - 바이오 칩의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 특징에 따라 바이오 칩을 제조하기 위해서 우선 고형화된 폴리디메틸실록산(PolyDiMethylSiloxane, PDMS)의 표면에 양각 패턴을 형성하여 PDMS 스탬프를 제작한다. 대상 기판은 기판을 세척 및 건조하는 단계에 의하여 준비된다. 상기 제작된 PDMS 스탬프의 양각 패턴 상에는 액상의 고분자 물질이 도포된다. 상기 고분자 물질이 도포된 PDMS 스탬프는 상기 대상 기판과 접합됨으로써, 상기 고분자 물질이 상기 양각 패턴에 대응한 상기 대상 기판 면 상에 전이되고 상기 PDMS 스탬프를 상기 대상 기판으로부터 분리함으로써 고분자 패턴이 형성된다. 상기 고분자 패턴이 형성된 상기 기판 표면에 크롬 및 금을 순차적으로 증착함으로써 바이오 칩이 제조된다. 상기 제조 방법은 공정 효율 및 생산성이 매우 우수하다.

Description

바이오 칩의 제조 방법{Method of manufacturing biochip}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리디메틸실록산(PDMS) 스탬프의 제작 방법을 보여주는 단면도들이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 칩의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 칩의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 웨이퍼 105: 포토레지스트 층
15: 포토 마스크 205: PDMS
210, 610; PDMS 스탬프 215, 615: 고분자 물질 층
216, 616: 고분자 패턴 층 300, 700: 베이스 기판
500, 1000: 바이오 칩
본 발명은 바이오 칩의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제조 공정의 효율 및 경제성이 우수하고 특히 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance; SPR) 기술의 적용이 용이한 바이오 칩의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 생명과학 분야의 차세대 기술이라 할 수 있는 바이오 칩의 상용화된 분석기술은 표적물질을 부착해야 하는 어려움이 있어 보다 손쉽게, 특정한 표지 없이 직접적으로 바이오 칩을 분석할 수 있는 기술의 개발을 필요로 하고 있다. SPR은 이러한 문제점을 극복할 수 있는 기술로 인식이 되고 있어 최근 바이오칩의 분석기법으로 활발히 연구되고 있다.
특히, 흡착의 정도를 그래프(sensorgram)로 보여주는 일반 SPR과 달리 백색광을 이용하여 바이오물질을 분석하는 장치에 있어서 이미징 SPR 칩의 개발은 매우 시급하다 할 수 있다.
현재 시판되고 있는 SPR 이미징 칩은 기판에 홀 마스크(Hole Mask; HM)를 이용하여 마이크론 단위의 금속 미세구조를 형성하여 제작되고 있으나, 이러한 공정은 각각의 HM를 제작하여야 하고 기판표면에 HM를 고정하여야 하는 공정 상의 불편함과, 제한된 공간(chamber)안에 별개의 HM를 장착해야 하므로 생산성 면에서도 효율이 낮았다. 또한 기판 크기에 관계없이 HM의 수에 따라 미세패턴구조의 수가 결정되므로 경제성 또한 낮은 것으로 평가되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안한 것으로써, 공정의 효율 및 경제성이 우수한 바이오 칩의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따라 바이오 칩을 제조하기 위해서 우선 고형화된 폴리디메틸실록산(PolyDiMethylSiloxane, PDMS)의 표면에 양각 패턴을 형성하여 PDMS 스탬프를 제작한다. 또한 대상 기판을 제작 한다. 상기 대상 기판은 기판을 세척 및 건조하는 단계 및 상기 기판 표면에 크롬 및 금을 순차적으로 증착하는 단계를 포함하는 공정에 의하여 제작된다. 상기 제작된 PDMS 스탬프의 양각 패턴 상에는 액상의 고분자 물질이 도포되거나 발라진다. 상기 고분자 물질이 묻은 PDMS 스탬프는 상기 대상 기판과 접합됨으로써, 상기 고분자 물질이 상기 양각 패턴에 대응한 상기 대상 기판의 증착면 상에 전이되고 이로써 증착에 의한 금속 박막 층이 형성된 대상 기판 상에는 고분자 패턴이 형성된다. 상기 PDMS 스탬프는 상기 대상 기판으로부터 분리됨으로써 바이오 칩이 제조된다.
상기 PDMS 스탬프를 제작하는 단계는, 웨이퍼 상에 포토레지스트 조성물을 도포하는 단계, 상기 도포되어 형성된 포토레지스를 노광, 현상 및 건조하여 상기 웨이퍼 상에 채널 패턴을 형성하는 단계, 상기 채널 패턴이 형성된 웨이퍼 상에 액상의 PDMS를 도포 및 건조시켜 상기 PDMS를 고형화하는 단계 및 상기 고형화된 PDMS를 상기 웨이퍼 상에서 분리하는 단계를 포함한다.
상기 기판은 유리, 석영, 고분자 등을 포함한다.
상기 기판의 세척 및 건조 단계는, 물, 과산화수소 및 암모니아로 이루어진 혼합용액 내에 상기 기판을 침잠시켜 70 내지 90℃의 온도 하에서 10 내지 30분 동안 1차 세척하는 단계, 상기 1차 세척된 기판을 증류수로 2차 세척하는 단계 및 질소가스로 건조시키는 단계를 포함한다.
상기 고분자 패턴 표면은 바이오 칩의 용도에 따라 다양하게 표면 개질될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따라 바이오 칩을 제조하기 위해 고형화된 폴리디메 틸실록산(PolyDiMethylSiloxane, PDMS)의 표면에 양각 패턴을 형성하여 PDMS 스탬프를 제작한다. 기판을 세척 및 건조하여 대상 기판을 준비한다. 상기 제작된 PDMS 스탬프의 양각 패턴 상에 액상의 고분자 물질을 묻힌다. 상기 고분자 물질이 묻은 PDMS 스탬프를 상기 대상 기판과 접합시켜 상기 고분자 용액을 상기 양각 패턴에 대응한 대상 기판 상에 전이되도록 하여 고분자 패턴을 형성한다. 상기 고분자 패턴이 형성된 대상 기판 상에는 순차적으로 크롬 및 금을 증착 시켜 상기 고분자 패턴을 덮도록 금속 박막 층이 형성된다.
이상의 바이오 칩의 제조 방법에 따르면, 바이오 칩을 제조하는 데 있어, 우수한 생산성 및 경제성을 확보할 수 있다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리디메틸실록산(PDMS) 스탬프의 제작 방법을 보여주는 단면도들이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 실리콘으로 이루어진 웨이퍼(100) 상에 네가티브형(negative type) 포토레지스트 조성물을 도포하여 포토레지스트 층(105)를 형성한다. 본 실시예에서, 상기 포토레지스트 조성물로서 SU-8이 사용된다. 상기 포토레지스트 조성물은 스핀 코팅 방식으로 상기 웨이퍼(100) 상에 도포된다. 상기 스핀 코팅은 2000 내지 5000 rpm의 속도를 갖는 스핀 코터에 의하여 이루어진다. 상기 도포된 포토레지스트 조성물은 약 90℃에서 12 내지 17분간 프리베이크(prebake) 된다. 상기 스킨 코팅 속도에 의하여 상기 포토레지스트 층(105)는 약 10 내지 100㎛의 두께로 형성된다.
도 1의 (b)를 참조하면, 상기 프리베이크된 포토레지스트 층(105)는 마스크에 의하여 노광된다. 상기 포토레지스트 층은 네가티브 형이므로 현상공정에 의하여 노광된 부분이 남고 노광되지 않은 부분이 현상된다. 도 1의 (c)는 노광 및 현상 공정을 거친 후 잔류하는 잔류 포토레지스트 층(107)은 채널 패턴을 형성한다. 상기 채널 패턴은 후술될 PDMS 스탬프의 음각부분에 대응한다.
도 1의 (d)를 참조하면, 상기 잔류 포토레지스트 층(107) 상에 PDMS를 도포하고 건조시켜 상기 PDMS를 고형화 시킨다. 상기 PDMS의 고형화 과정은 상기 PDMS로부터 기포를 제거하는 단계 및 약 60 내지 80℃의 온도 하에서 약 2시간 정도 건조시키는 단계에 의하여 이루어진다.
상기 고형화된 PDMS(205)는 상기 웨이퍼(100)으로부터 분리되어 PDMS 스탬프가 완성될 수 있다. 상기 PDMS 스탬프(210)은 상기 채털 패턴에 대응한 음각부분과 이에 의하여 형성된 양각부분으로 이루어지게 된다. 상기 양각부분(212)에는 후술될 고분자 용액이 묻게 되어 스탬프로서 기능하게 된다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 칩의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 베이스 기판(300) 상에는 크롬(Cr) 및 금(Au)이 순차적으 로 증착되어 금속 박막 층(305)가 형성된다. 상기 크롬 및 금의 증착은 열박막증착기 내에서 이루어진다. 상기 크롬은 3 내지 7 nm의 두께를 갖도록 증착되며 상기 금은 40 내지 50 nm의 두께를 갖도록 증착된다. 상기 금속 박막 층(305)가 형성된 베이스 기판을 대상기판(350)으로 정의하기로 한다.
상기 베이스 기판(300)은 유리, 석영(qurtz), 광학적으로 투명한 고분자 등으로 이루어진다. 상기 베이스 기판(300)은 각각 유리, 석영 및 고분자 단독으로 이루어질 수도 있으며 이들의 혼합물 형태로 이루어질 수도 있다.
상기 베이스 기판(300)은 상기 크롬 및 금이 증착되기 전에 세척 및 건조 과정을 거친다. 세척 과정은 상기 베이스 기판을 물, 과산화수소 및 암모니아로 이루어진 혼합용액 내에 침잠시킴으로써 이루어진다. 세척 과정은 70 내지 90℃의 온도 하에서 10 내지 30분 동안 이루어진다. 세척된 상기 베이스 기판은 다시 한번 증류수를 이용하여 세척된 후 질소 가스를 이용하여 건조된다. 상기 혼합 용액은 물, 과산화수소 및 암모니아를 약 5:1:1의 중량비로 포함한다.
도 3을 참조하면, 도 1 에서 설명한 바와 같이 제작된 PDMS 스탬프(210)의 양각부분에는 고분자 물질이 도포되어 고분자 물질 층(215)이 형성된다. 상기 고분자 물질은 가용성 고분자로서 폴리에틸렌 글리콜 (Polyethylene glycol; PEG)계 고분자, 폴리스티렌계(Polystyrene)계 고분자, 폴리메타메틸아크릴레이트(Poly(metha methylacrylate); PMMA)계 고분자, 상기PEG를 측쇄로 하는 양 친매성 PMMA 등을 들 수 있다. 이외에도 다양한 고분자나 일반적인 코팅 물질이 사용될 수 있으며, 특성상 대상기판에 미세구조 형성 후 건조되어 고형화될 수 있는 여타의 물질들도 사 용될 수 있다. 상기 고분자 물질은 단독으로 사용되거나 둘 이상의 고분자 물질들이 블렌딩되어 사용될 수 있다.
고분자 물질 층(215)가 형성된 PDMS 스탬프(210)는 상기 금속 박막 층(305)이 형성된 베이스 기판(300)과 접합되고, 이에 따라 상기 고분자 물질은 상기 베이스 기판(300)의 금속 박막 층(305)상에 전이된다. 상기 고분자 물질은 상기 PDMS 스탬프(210)의 양각 패턴에만 도포되어 있으므로, 상기 금속 박막 층(305)에 전이된 고분자 물질 층(215)은 상기 금속 박막 층(305) 상에 상기 양각 패턴에 대응한 고분자 패턴 층을 형성한다. 따라서 PDMS 스탬프(210)의 양각 패턴을 다양하게 형성함으로써, 이에 대응한 고분자 패턴 층(미 도시)을 금속 박막 층(305) 상에 형성시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 대상 기판(350) 상에 상기 고분자 물질 층(215)이 전이되어 고분자 패턴 층(216)이 형성된다. 상기 고분자 패턴 층(216)은 PDMS 스탬프(210)의 양각 패턴에 상응한 패턴을 갖는다.
이로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 칩이 제조된다. 상기 완성된 바이오 칩의 고분자 패턴 층(216)의 표면은 DNA, 단백질, 바이러스, 미생물, 세포 등의 시료의 용도에 부합할 수 있도록 표면 특성이 다양하게 개질될 수 있다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 칩의 제조 방법을 도시한 단면도들이다. 본 실시예에 사용되는 PDMS 스탬프는 도 1에서 설명한 바와 동일한 방법으로 제작되기에 이에 대한 중복된 설명은 생략하도록 한다. 또한, 이전 실시예와 동일한 공정에 대해서는 자세한 설명을 생략하도록 한다.
도 6을 참조하면, 고분자 물질 층(615)이 형성된 PDMS 스탬프(610)는 크롬 및 금의 증착 공정 없이 바로 베이스 기판(700)과 접합된다. 본 실시예에 따른 베이스 기판(700)은 고분자 물질 층(615)의 전이 특성이 우수하여, 별도 전이 보조 층의 형성 없이 상기 베이스 기판(700) 상에 고분자 물질 층(615)이 직접적으로 용이하게 전이될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 PDMS 스탬프(610)의 양각 패턴 상에 형성된 고분자 물질 층(615)이 베이스 기판(700) 상에 전이되어 고분자 패턴 층(616) 이 형성된다. 전술한 바와 같이, 상기 고분자 패턴 층(616)은 상기 PDMS 스탬프(610)의 양각 패턴에 대응하게 된다. 따라서 상기 PDMS 스탬프(610)의 양각 패턴을 다양하게 형성함으로써, 고분자 패턴 층(616)의 패턴 형상을 다양화 시킬 수 있고 나아가 바이오 칩의 기능을 고려하여 패턴 형상을 기능적으로 자유롭게 설계할 수 있다.
상기 고분자 패턴 층(616)이 베이스 기판(700) 상에 형성되면, 도 8에서 보는 바와 같이 상기 고분자 패턴 층(616) 상에는 상기 고분자 패턴 층(616)을 덮도록 금속 박막 층(705)이 형성된다.
상기 금속 박막 층(705)은 구분하여 도시하지는 않았으나, 크롬 박막 층 및 금 박막 층이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 상기 크롬 박막 층 및 금 박막 층은 각각 크롬 및 금을 열박막증착 방법에 의하여 상기 고분자 패턴 층(616)이 형성된 베이스 기판(700) 상에 증착되어 형성된다.
이로써, 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 칩(1000)이 완성된다. 상기 완성된 바이오 칩의 금속 박막 층(705)의 표면은 바이오 칩의 용도를 고려하여 별 도의 표면 처리 공정을 더 거침으로써 개질될 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 칩의 제조 방법에 따르면, 기판 상에 미세 구조의 패턴 형성이 용이하고, 공정의 효율 및 경제성이 우수하다.
또한, 상기 SPR 형상화 바이오 칩의 제조 방법은 연성 식각법(soft lithography)를 이용하여 고분자 탬플릿을 기판 표면에 형성함으로써 공정을 보다 단순화 시킬 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 고형화된 폴리디메틸실록산(PolyDiMethylSiloxane, PDMS)의 표면에 양각 패턴을 형성하여 PDMS 스탬프를 제작하는 단계;
    i) 기판을 세척 및 건조하는 단계; 및
    ii) 상기 기판 표면에 크롬 및 금을 순차적으로 증착하는 단계를 포함 하는 대상 기판의 제작단계;
    상기 제작된 PDMS 스탬프의 양각 패턴 상에 고분자 물질을 묻히는 단계;
    상기 고분자 물질이 묻은 PDMS 스탬프를 상기 대상 기판과 접합시켜 상기 고분자 물질을 상기 양각 패턴에 대응한 상기 대상 기판의 증착면 상에 전이되도록 하여 고분자 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 PDMS 스탬프를 상기 대상 기판으로부터 분리시키는 단계를 포함하는 바이오 칩의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 PDMS 스탬프를 제작하는 단계는,
    웨이퍼 상에 포토레지스트 조성물을 도포하는 단계;
    상기 포토레지스트 조성물이 도포되어 형성된 포토레지스트 층을 노광, 현상 및 건조하여 상기 웨이퍼 상에 채널 패턴을 형성하는 단계;
    상기 채널 패턴이 형성된 웨이퍼 상에 액상의 PDMS를 도포 및 건조시켜 상기 PDMS를 고형화 하는 단계; 및
    상기 고형화된 PDMS를 상기 웨이퍼 상에서 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 칩의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 포토레지스트는 네가티브(negative)형인 것을 특징으로 하는 바이오 칩의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 유리, 석영 및 투명성 고분자 중 적어도 하나의 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 칩의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 기판의 세척 및 건조 단계는,
    물, 과산화수소 및 암모니아로 이루어진 혼합용액 내에 상기 기판을 침잠시켜 70 내지 90℃의 온도 하에서 10 내지 30분 동안 1차 세척하는 단계;
    상기 1차 세척된 기판을 증류수로 2차 세척하는 단계; 및
    질소가스로 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 칩의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 물질은 폴리에틸렌 글리콜계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 폴리 메타메틸아크릴레이트계 고분자 및 상기 폴리에틸렌 글리콜계 고분자를 측쇄로 갖는 폴리 메타메틸아크릴레이트계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 일 종의 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 칩의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 패턴 표면을 바이오 칩의 용도에 따라 표면 개질 하는 단계를 더 포함하는 바이오 칩의 제조 방법.
  8. 고형화된 폴리디메틸실록산(PolyDiMethylSiloxane, PDMS)의 표면에 양각 패턴을 형성하여 PDMS 스탬프를 제작하는 단계;
    기판을 세척 및 건조하여 대상 기판을 준비하는 단계;
    상기 제작된 PDMS 스탬프의 양각 패턴 상에 고분자 물질을 묻히는 단계;
    상기 고분자 물질이 묻은 PDMS 스탬프를 상기 대상 기판과 접합시켜 상기 고분자 물질을 상기 양각 패턴에 대응한 대상 기판 상에 전이되도록 하여 고분자 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 고분자 패턴이 형성된 대상 기판 상에 순차적으로 크롬 및 금을 증착 시키는 단계를 포함하는 바이오 칩의 제조 방법.
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