KR100859212B1

KR100859212B1 - Ｄｎａ 검출장치의 제조방법

Info

Publication number: KR100859212B1
Application number: KR1020070028676A
Authority: KR
Inventors: 이인호; 민준홍; 김귀현; 김수현; 박진성; 김아기
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2008-09-18
Also published as: KR20070041698A

Abstract

본 발명은 DNA 검출 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 미세 가공 기술을 이용하여 검출을 위한 별도의 처리를 하지 않고 DNA를 전기적 방법으로 검출할 수 있는 DNA 검출 장치의 제조 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 DNA 검출 장치는 DNA를 전기적인 방법으로 검출하기 위한 것으로서, 반도체 기판에 형성되어 검출 시료를 수용하는 한 쌍의 챔버와 상기 한 쌍의 챔버 사이를 연결하는 채널 및 상기 챔버를 덮는 덮개를 포함한다. 본 발명에 의하여 미세 가공 기술이 발달한 반도체 제조 기술을 이용하여 실리콘 기판으로 양산이 가능한 DNA 검출 장치 및 그 제조 방법을 확보하였다.

DNA, 멤브레인 포어, 전기적 검출, 챔버, 채널

Description

ＤＮＡ 검출장치의 제조방법{Method for producing device of detecting DNA}

도1은 네덜란드의 Delft University에서 개발된 종래의 DNA 검출 장치를 보여주는 도면.

도2는 다른 실시예에 의한 종래의 DNA 검출 장치의 단면도.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DNA 검출 장치의 사시도이고, 도3의 원안에 도시된 부분 확대도는 채널 부분의 단면도.

도4 내지 도10은 본 발명에 따른 DNA 검출 장치의 제조 방법에 따라 각 단계에서 형성되는 채널 부분의 단면도.

도11은 DNA 검출 장치의 제조 방법에 따라 완성된 DNA 검출 장치의 구성을 보여주는 사시도.

도12는 본 발명의 DNA 검출 장치를 이용하여 시간에 따라 측정된 전류를 표시한 그래프.

도13 및 도14는 도12의 결과를 통계적으로 나타낸 그래프.

도15는 본 발명의 DNA 검출 장치에 의한 결과와 멤브레인 포어 구조를 가지는 종래의 DNA 검출 장치로 검출된 DNA의 검출 특성 결과를 보여주는 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

30 : 기판 31 : 전극

40 : 상판 50 : 채널

110, 120, 280, 290 : 챔버

130, 250 : 채널 140, 300 : 덮개

150, 200 : 반도체 기판 160 : 절연막

210 : 제1 절연막 220 : 채널 패턴

220a, 220b : 나노 채널 패턴 230 : 제2 절연막

240 : 제3 절연막 260, 270 : 전면 절연막

본 발명은 DNA 검출 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 미세 가공 기술을 이용하여 검출을 위한 별도의 처리를 하지 않고 DNA를 전기적 방법으로 검출할 수 있는 DNA 검출 장치의 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 방대한 DNA(Deoxyribo Nucleic Acid)의 정보로부터 인간의 유전병을 조기에 발견하고 치료할 수 있는 가능성과 그에 따른 기대가 커지고 있으며, 이로서 바이오센서(biosensor) 분야에서 또 다른 센서로서 DNA 검출 장치가 자리 매김을 하고 있다.

DNA를 변형시키는 처리를 하지 않고 직접 검출하기 위한 시도로서 미국 켈리포니아 주립대학(UCSC)에서 알파 용혈소(alpha-hemolysin)를 이용한 구조를 고안하 여 DNA를 레이블링(labelling)하는 등 별도의 검출을 위한 처리를 하지 않고 DNA의 검출이 가능하게 되었다.

그리고 DNA 이중나선구조가 전기적 전도성을 가지고 있는 특성을 이용하여 1990년대 말에 미국의 Harvard 및 Princeton과 네덜란드의 Delft University 등에서 고체의 반도체 기판에 멤브레인(membrane)으로 형성된 포어(pore)를 통과하는 DNA를 전기적으로 검출하는 기술이 집중적으로 고안 되었다.

도1는 네덜란드의 Delft University에서 개발된 종래의 DNA 검출 장치를 보여주는 도면이다.

도1에 도시된 바와 같이, 종래의 DNA 검출 장치는 반도체 기판(10)에 포어(11)가 형성된 멤브레인(12)을 제작하였다.

상기 DNA 검출 장치는 포어(11)의 양단에 전기를 인가하여 포어(11)를 통과하는 DNA를 전기적 신호로 검출할 수 있는 장치이다.

그런데 이러한 종래의 DNA 검출 장치는 반도체 기판(10)에 절연막을 형성하여 멤브레인(12)을 제작한 후에 이온 빔을 사용하여 하나씩 제작하기 때문에 공정이 까다롭고 생산이 어려운 문제가 있다.

또한 제작된 멤브레인(12)의 두께가 얇아서 취급이 불편하고, DNA가 포아(11)를 통과하는 통과 시간(dwell time)이 짧아 측정장비를 이용하여 신호를 감지하기 어려운 문제가 있어 원활한 DNA 검출에 많은 제약이 있었다.

이러한 단점을 해결하기 위하여 DNA의 통과 시간을 증가시켜서 측정이 용이하게 한 다른 실시예에 의한 종래의 DNA 검출 장치가 Omar A. Saleh와 Lydia L. Sohn에 의해서 고안되어 2003년 Nano Letters에 개시 되었다.

도2는 다른 실시예에 의한 종래의 DNA 검출 장치의 단면도이다.

도2에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에 의한 종래의 DNA 검출 장치는 글라스로 제작된 기판(30), 상기 기판(30)에 형성된 전극(31) 및 돌출부를 가지는 합성고무(PDMS)로 제작된 상판(40)을 포함한다.

돌출부와 기판(30) 사이에 채널(50)이 형성되어 상기 기판(30)과 상판(40) 사이에 주입된 검출 시료에서 DNA(20)를 전기적 신호로 검출하기 위한 구조로 구성되었다.

그런데 상기 종래의 DNA 검출 장치는 마이크로켐(Microchem)사의 포토레지스트인 SU8를 e-beam 방법으로 패턴닝하여 형성된 몰드 마스터(mold master)를 구조 틀로 이용하여 합성고무로 제작되기 때문에 계속해서 동일한 구조를 생산하는데 어려움이 크다.

또한 e-beam 공정으로 형성된 채널의 폭이 200 nm 정도로 크고, 채널의 폭을 조절하는 방법이 e-beam 공정으로 제한되어 폭이 넓은 채널을 통과하는 DNA의 전기적 신호를 검출하는데 어려움이 있기 때문에 신뢰성 있는 DNA의 검출 결과를 얻지 못하였다.

따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 충분히 작은 나노 크기의 채널을 구비하여 DNA를 레이블링(labelling)하는 등 별도의 검출을 위한 처리를 하지 않고 전기적 신호만을 이용하여 DNA를 용 이하게 검출할 수 있는 DNA 검출 장치의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 반도체 미세 가공 기술을 이용하여 용이하게 양산 가능한 DNA 검출 장치의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 측정의 신뢰성을 확보하여 DNA의 전기적 신호를 충분한 정확도로 측정할 수 있는 DNA 검출 장치의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일 실시예로서 반도체 기판(200)의 전면에 실리콘산화막 또는 실리콘 질화막으로 제1 절연막(210)이 형성되는 단계; 사진 식각 공정을 이용하여 상기 제1 절연막(210)을 식각하고, 상기 반도체 기판(200)을 식각하여 제1 패턴(220)이 형성되는 단계; 사진 식각 공정을 이용하여 상기 제1 절연막(210)을 식각하고, 상기 반도체 기판(200)을 상기 제1 패턴이 형성된 깊이보다 큰 깊이로 식각하여 상기 제1 패턴(220)의 양단에 각각 연결된 제2 패턴(280, 290)이 형성되는 단계; 산화된 상기 반도체 기판(200)의 전면에 실리콘산화막 또는 실리콘 질화막으로 제3 절연막(240)을 증착하여 상기 제1 패턴의 내부에 매몰된 채널(250)이 형성되는 단계; 상기 반도체 기판(200)의 전면이 평탄화되어 상기 채널(250) 상부가 편평하게 되는 단계; 및 상기 제2 패턴(280, 290) 위에 덮개(300)가 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치의 제조 방법을 제공한다.

제2 패턴(280, 290)을 형성하는 단계 이후에 상기 제1 패턴(220)의 폭을 감소시키기 위하여 제1 패턴(220) 내부의 반도체 기판을 산화시키는 것을 특징으로 한다.

제2 패턴(280, 290)을 형성하는 단계 이후에 상기 제1 패턴(220)의 폭을 감소시키기 위하여 제1 패턴(220)의 측벽에 실리콘산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성되는 제2 절연막(230)이 증착되는 것을 특징으로 한다.

상기 제3 절연막(240)은 플라스마 화학기상증착 방법 또는 상압 화학기상증착 방법에 의해서 증착하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 패턴(280, 290)은 상기 제1 패턴(220)에 의해서 연결되는 한 쌍의 챔버인 것을 특징으로 한다.

상기 덮개(300)의 재질은 글라스, PDMS 또는 플라스틱 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 제2 패턴(280, 290)의 양단이 노출되도록 상기 덮개(300)가 상기 제2 패턴(280, 290)을 부분적으로 덮는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 패턴(280, 290) 위에 상기 덮개를 형성하는 단계는 양극 접합, PDMS 접합 또는 플라스틱 패치를 이용한 접합 중에서 선택되는 어느 하나의 접합으로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 다른 실시예로서 반도체 기판(200)의 전면에 실리콘산화막 또는 실리콘 질화막으로 제1 절연막(210)이 형성되는 단계; 사진 식각 공정을 이용하여 상기 제1 절연막(210)을 식각하고, 상기 반도체 기판(200)을 식각하여 형성된 제1 패턴(280, 290)으로 한 쌍의 챔버가 형성되는 단계; 사진 식각 공정을 이용하여 상기 제1 절연막(210)을 식각하고, 상기 반도체 기판(200)을 상기 제1패턴이 형성된 깊이보다 작은 깊이로 식각하여 한 쌍의 상기 제1 패턴(280, 290)의 사이를 연결하는 제2 패턴(220)이 형성되는 단계; 산화된 상기 반도체 기판(200)의 전면에 실리콘산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성된 제3 절연막(240)을 증착하여 상기 제2 패턴의 내부에 매몰된 채널(250)이 형성되는 단계; 상기 반도체 기판(200)의 전면을 평탄화시켜 상기 채널 상부가 편평하게 되는 단계; 및 상기 제2 패턴(200) 위에 덮개가 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치의 제조 방법을 제공한다.

상기 제2 패턴(220)을 형성하는 단계 이후에 상기 제2 패턴(220)의 폭을 감소시키기 위하여 상기 제2 패턴(220) 내부의 반도체 기판(200)이 산화되는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 패턴(220)을 형성하는 단계 이후에 상기 제2 패턴(220)의 폭을 감소시키기 위하여 상기 제2 패턴(220)의 측벽에 제2 절연막(230)이 증착되는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세히 설명한다.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DNA 검출 장치의 사시도이고, 도3의 원안에 도시된 부분 확대도는 채널 부분의 단면도이다.

도3에 도시된 바와 같이, DNA를 전기적인 방법으로 검출하기 위한 본 발명의 DNA 검출 장치는 한 쌍의 챔버(110, 120), 채널(130) 및 덮개(140)를 포함한다.

한 쌍의 챔버(110, 120)는 반도체 기판(150)을 식각하여 형성된 그로 브(groove) 형태로서 그 내부에 검출 시료를 수용하는 용기 역할을 한다. 이때 상기 반도체 기판(150)의 재질은 미세 공정 가공 특성이 발달되고 가격이 저렴한 실리콘 기판이고, 챔버(110, 120)의 표면은 절연막(도면에 표시하지 않음)에 의해서 피복되어 있는 것이 바람직하다.

채널(130)은 반도체 기판(150)에서 상기 한 쌍의 챔버(110, 120) 사이를 연결하는 통로로서, 바람직하게는 반도체 기판(150) 위에 형성된 절연막(160)에 매몰된 통로이다. 이때 상기 절연막(160)의 재질은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막이다.

상기 챔버(110, 120)의 양단은 연장되어 상기 챔버(110, 120)의 양단사이에 검출 시료를 흘릴 수 있어 상기 챔버(110, 120)의 일단에서 공급된 검출 시료는 상기 채널(130)을 통과한다.

일예로 상기 한 쌍의 챔버(110, 120)는 채널(130)을 중심으로 대칭으로 배치되어, 상기 한 쌍의 챔버(110, 120)에 공급된 검출 시료에서 DNA를 검출하기 위하여 인가되는 전압의 극성의 방향에 관계없이 채널(130)을 통과하는 DNA가 검출된다.

덮개(140)는 챔버(110, 120)를 덮고 있으며, 상기 덮개(140)는 하나의 조각으로 형성하거나 필요에 따라 여러 개로 나누어 구성될 수 있다. 바람직하게 상기 챔버(110, 120)는 덮개에 의해서 부분적으로 덮여서 상기 챔버(110, 120)의 양단이 노출되고, 상기 덮개(140)의 재질은 글라스, PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 및 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택된 하나이다.

DNA를 검출하기 위하여 챔버(110, 120)의 노출된 일단을 통하여 검출 시료를 공급하면서 한 쌍의 챔버(110, 120) 사이에 전압을 인가하여 채널(130)을 통과하는 DNA를 검출한다.

다음은 본 발명의 실시예에 의한 DNA 검출 장치의 제조 방법에 대하여 설명한다.

도4 내지 도10은 본 발명의 일 실시예에 따른 DNA 검출 장치의 제조 방법에 따라 각 단계에서 형성되는 채널 부분의 단면도이고, 도11은 DNA 검출 장치의 제조 방법에 따라 완성된 DNA 검출 장치의 구성을 보여주는 사시도이다.

도4 내지 도11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 DNA 검출 장치의 제조 방법에 따라 반도체 기판(200)의 전면에 제1 절연막(210)을 형성한다. 이때 반도체 기판(200)의 재질은 미세 공정 가공 특성이 발달되고 가격이 저렴한 실리콘 기판을 사용하고, 제1 절연막(210)은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성하는 것이 바람직하다.

도5에 도시된 바와 같이, 제1 노광 공정을 실시하여 채널 모양을 형성하기 위한 채널 포토레지스트 패턴(도면에 표시하지 않음)을 제1 절연막 위에 형성하고, 상기 채널 포토레지스트 패턴을 마스크로 제1 절연막(210)과 반도체 기판(200)을 식각한다. 도6에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 기판(200)은 제1 깊이만큼 식각하고, 상기 채널 포토레지스트 패턴을 제거하여 식각된 반도체 기판(200)에 채널 패턴(220)을 형성한다. 여기서 제1 깊이는 제1패턴인 채널패턴(220)이 형성되는 깊이를 의미하는 것이다.

이때 채널 포토레지스트 패턴의 폭은 노광 장비를 이용하여 나노 크기로 형성하는데, 가능한 작은 크기로 형성될수록 바람직하다.

다음에 제2 노광 공정을 진행하여 챔버 모양을 형성하기 위한 챔버 포토레지스트 패턴(도면에 표시하지 않음)을 제1 절연막(210) 위에 형성하고, 제1 절연막(210)과 반도체 기판(200)을 식각한다. 이때 반도체 기판(200)은 상기 제1 깊이 보다 큰 제2 깊이로 식각하고, 상기 챔버 포토레지스트 패턴을 제거하여 식각된 반도체 기판으로 형성된 챔버 패턴(도면에 표시하지 않음)을 형성한다. 여기서 제2 깊이는 제2패턴인 챔버패턴이 형성되는 깊이를 의미하는 것이다.

따라서 채널패턴(220)보다 챔버패턴이 더 깊게 형성된다.

이때 상기 챔버 패턴은 도11과 같이 상기 채널 패턴(220)의 양단에 각각 연결된 한 쌍의 챔버(280, 290)를 구성한다.

또한 상기 한 쌍의 챔버(280, 290)는 상기 채널 패턴(220)을 중심으로 대칭으로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 제1 절연막(210)을 형성한 다음에 채널 패턴(220)과 챔버 패턴을 형성하는 공정 순서는 서로 바꾸어서 실시하는 것도 가능하다. 즉 챔버 패턴을 먼저 형성하고, 사진 식각 공정을 이용하여 한 쌍의 챔버 사이를 연결하는 채널 패턴(220)을 형성한다. 또한 경우에 따라서는 챔버패턴보다 채널패턴(220)이 더 깊게 형성될 수도 있다.

다음은 상기 채널 패턴(220) 부분에 채널을 형성하는 단계이다. 그런데 채널을 형성하는 공정은 채널 패턴(220)의 폭이 충분히 작은 나노 크기로 형성된 경우 와 그렇지 않은 경우에 따라 달라진다.

만일 노광 공정의 분해능이 부족하여 채널 패턴의 폭이 나노 크기의 폭보다 크게 형성되는 경우에는 상기 채널 패턴(220)의 폭을 감소시키는 공정이 추가로 실시된다.

도6 또는 도7에 도시된 바와 같이, 채널 패턴(220)의 폭을 감소시키기 위하여 노출된 반도체 기판(200)의 표면을 산화시켜 실리콘 산화막을 성장시키거나 또는 채널 패턴(220)의 측벽에 제2 절연막(230)을 증착한다. 이때 제2 절연막(230)은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성된다.

특히 상기 제1 절연막(210)이 실리콘 산화막일 경우 상기 채널 패턴(220)의 노출된 반도체 기판(200)을 산화시키는 산화 공정에 의해서 도6과 같이 반도체 기판(200)에 형성된 채널 패턴(220)의 폭이 좁아진 형태로 반도체 기판(200) 위에 그대로 전달되어 실리콘 산화막으로 형성된 나노 채널 패턴(220a)이 형성된다. 이때 제1 절연막(210a)이 식각된 부분은 산화 공정에 의해서 둥그런 원호 모양으로 나노 채널 패턴(220a)에 연결된다.

상기 채널 패턴(220)의 측벽에 제2 절연막(230)을 증착하는 경우에는 도8과 같이 채널 패턴(220)의 모양이 그대로 좁아져서 채널 패턴(220)의 측벽에 형성된 제2 절연막(230)의 두께에 의해서 채널 패턴(220)의 폭을 나노 크기로 감소시킨 나노 채널 패턴(220b)이 형성된다.

도8에 도시된 바와 같이, 나노 채널 패턴(220a, 220b)이 형성된 반도체 기판(200)의 전면에 제3 절연막(240)을 증착하여 크기가 작은 상기 나노 채널 패턴(220a, 220b)의 바닥 부분에는 제3 절연막(240)이 채워지지 않고 매몰된 공간이 남아 채널(250)을 형성한다. 이때 상기 제3 절연막(240)은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로서, 화학기상증착(chemical vapor deposition) 방법으로 증착하는 것이 바람직하다.

상기 화학기상증착 방법으로 플라스마 화학기상증착(plasma enhanced chemical vapor deposition ) 방법 또는 상압 화학기상증착(atmospheric pressure chemical vapor deposition ) 방법 등을 선택하여 적용하면, 증착된 제3 절연막(240)이 스텝 커버리지(step coverage)가 나쁘기 때문에 폭이 좁은 나노 채널 패턴(220a, 220b) 부분에 제3 절연막(240)으로 채워지지 않은 채로 채널(250)이 형성되면서 제3 절연막(240)이 증착된다.

그리고 제3 절연막(240) 내부에 형성된 채널(250)의 상부를 빈틈없이 매몰하기 위하여 스텝 커버리지가 좋은 화학기상증착 방법 예를 들어 저압 화학기상증착 방법 또는 유기물 소스를 이용한 화학기상증착 방법 등으로 절연막을 증착하는 것이 바람직하다(도면에 표시하지 않음).

도8에 도시된 채널(250)의 형태를 용이하게 형성하기 위해서는 도6에 도시된 바와 같이 나노 채널 패턴(220a)의 폭이 급격히 작아지게 형성된 것이 유리하기 때문에, 채널 패턴(220)의 폭을 감소시키기 위해서는 채널 패턴(220)에서 반도체 기판(200)의 표면을 산화시켜 실리콘 산화막을 성장시키는 것이 바람직하다.

도9 및 도10에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 기판(200)의 전면을 화학전 기계적 연마법(chemical mechanical polishing)으로 평탄화시켜 반도체 기판(200)의 전면을 편평하게 가공한다. 이때 채널(250) 상부도 편평하게 제3 절연막(240)으로 덮여 있다.

채널(250) 이외의 다른 영역의 표면은 지금까지 증착한 여러 종류의 절연막이 혼합되어 평탄화된 전면 절연막(260, 270)이 형성되어, 도10에 도시된 전면 절연막(260)은 열산화막을 포함하고, 도11에 도시된 전면 절연막(270)은 제1 내지 제3 절연막이 혼합되어 있다.

다음 도11에 도시된 바와 같이, 편평해진 반도체 기판(200)에 덮개(300)를 형성하여 상기 한 쌍의 챔버(280, 290) 양단이 노출되도록 한다. 이때 덮개(300)의 재질은 글라스, PDMS 및 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택된 하나이다. 이때 상기 덮개(300)의 재질에 따라서 글라스는 양극 접합(anodic bonding) 방법을 사용하여 반도체 기판(200) 위의 상기 전면 절연막(260, 270)에 접합하고, 다른 재료의 경우에는 PDMS 접합 방법이나 플라스틱 패치를 이용한 접합 방법을 적용하여 접합하는 것이 바람직하다.

본 발명의 DNA 검출 장치를 이용하여 DNA를 검출한 결과는 다음과 같다. 실험에 사용한 DNA는 48k 람다(lambda) DNA이고, 형성된 채널의 단면은 타원형태로 그 폭이 120 nm, 높이가 41 nm 이고, 채널 길이가 2 ㎛ 이다.

본 발명의 DNA 검출 장치에서 DNA를 검출하기 위하여 챔버의 노출된 일단을 통하여 검출 시료를 공급하면서 한 쌍의 챔버 사이에 전압을 인가하여 채널을 통과하는 DNA를 검출한다. 검출 시료에 존재하는 DNA가 상기 채널을 통과하는 동안 상기 채널을 통한 전류의 크기가 변하는 것을 감지하여 DNA를 검출한다.

예를 들어 상세히 설명하면, 한 쌍의 챔버와 채널을 1 Mole 농도의 KCl 용액으로 채우고 한 쌍의 챔버 사이에 전압을 인가하면 나노 크기의 채널 사이로 전류가 흐르게 된다. 이때 검출시료인 DNA를 음의 전압을 인가한 챔버에 투입하면, DNA가 음의 전하를 가지고 있기 때문에 DNA는 상기 채널을 통하여 양의 전압이 인가된 챔버로 이동하게 된다.

이렇게 DNA가 채널을 통과할 때 DNA의 부피에 의해서 채널의 통로가 감소되어 채널 내에서 일정한 양으로 흐르고 있던 K와 Cl 이온들의 양이 감소하게 된다. 이렇게 감소된 이온들의 양은 채널을 통하여 흐르는 전류의 크기를 감소시키기 때문에 DNA가 채널을 통과하는 동안 측정된 전류의 변화에 의해서 DNA를 검출할 수 있다. 이때 측정된 전류의 변화 정도와 감지 시간은 DNA의 크기 및 길이에 따라 달라진다.

본 발명의 DNA 검출 장치를 이용하여 시간에 따라 측정된 전류를 표시한 도12의 그래프에서 노이즈 레벨 이상의 전류 신호가 감지된 결과로 알 수 있듯이, 본 발명의 DNA 검출 장치에 의해서 DNA가 채널을 통과하는 것이 전류 신호로 측정된 것을 확인하였다.

도12의 결과를 통계적으로 나타낸 도13과 도14의 결과는 본 발명의 DNA 검출 장치에서 측정한 신호에서 감지되는 전류 신호는 90 pA의 크기에서 최대의 빈도수(frequency)를 보이고, 10 ms의 통과 시간에서 최대의 빈도수를 보이므로 통계적으로 충분한 반복성을 가지고 측정이 실시된 것을 확인 하였다.

도15는 본 발명의 DNA 검출 장치에 의한 결과와 멤브레인 포어 구조를 가지 는 종래의 DNA 검출 장치로 검출된 DNA의 검출 특성 결과를 보여주는 그래프로서, 본 발명의 DNA 검출 장치에서는 전류 신호의 크기가 100 pA 정도로 종래의 300 pA 정도에 비하여 3배 정도 감소하였지만 측정 장비에서 감지하기에 충분히 커서 측정에 어려움이 없다.

또한 DNA가 채널을 통과하는 동안 감지되는 통과 시간은 10 ms로 측정되어 종래의 1 ms 보다 10 배 이상 크기 때문에 현재의 측정 장비로 충분한 정확도를 가지고 안정적으로 감지할 수 있었다.

이상에서, 본 발명의 구성 및 동작을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상 및 특허청구 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 DNA 검출 장치의 제조 방법에 의하면 다음과 같은 효과를 달성한다.

우선, 본 발명은 미세 가공 기술이 발달한 반도체 제조 기술을 이용하여 실리콘 기판으로 양산이 가능한 DNA 검출 장치의 제조 방법을 확보하였다.

또한, 본 발명에 따른 DNA 검출 장치의 제조 방법은 노광 기술과 채널의 폭을 감소시키는 방법을 적용하여 나노 크기의 채널을 용이하게 형성하였다.

이에 따라, 나노 크기로 형성된 채널에 의해서 DNA를 검출하기 위한 별도의 처리를 하지 않고 DNA를 검출할 수 있는 충분한 전류 신호의 크기와 시간의 정확도를 가지는 전기적 신호를 검출하는 결과를 얻을 수 있었다.

Claims

반도체 기판(200)의 전면에 실리콘산화막 또는 실리콘 질화막으로 제1 절연막(210)이 형성되는 단계;

사진 식각 공정을 이용하여 상기 제1 절연막(210)을 식각하고, 상기 반도체 기판(200)을 식각하여 제1 패턴(220)이 형성되는 단계;

사진 식각 공정을 이용하여 상기 제1 절연막(210)을 식각하고, 상기 반도체 기판(200)을 상기 제1 패턴이 형성된 깊이보다 큰 깊이로 식각하여 상기 제1 패턴(220)의 양단에 각각 연결된 제2 패턴(280, 290)이 형성되는 단계;

산화된 상기 반도체 기판(200)의 전면에 실리콘산화막 또는 실리콘 질화막으로 제3 절연막(240)을 증착하여 상기 제1 패턴의 내부에 매몰된 채널(250)이 형성되는 단계;

상기 반도체 기판(200)의 전면이 평탄화되어 상기 채널(250) 상부가 편평하게 되는 단계; 및

상기 제2 패턴(280, 290) 위에 덮개(300)가 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치의 제조 방법.
제1항에 있어서,

제2 패턴(280, 290)을 형성하는 단계 이후에 상기 제1 패턴(220)의 폭을 감소시키기 위하여 제1 패턴(220) 내부의 반도체 기판을 산화시키는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치의 제조 방법.
제1항에 있어서,

제2 패턴(280, 290)을 형성하는 단계 이후에 상기 제1 패턴(220)의 폭을 감소시키기 위하여 제1 패턴(220)의 측벽에 실리콘산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성되는 제2 절연막(230)이 증착되는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 제3 절연막(240)은 플라스마 화학기상증착 방법 또는 상압 화학기상증착 방법에 의해서 증착하는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 제2 패턴(280, 290)은 상기 제1 패턴(220)에 의해서 연결되는 한 쌍의 챔버인 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 덮개(300)의 재질은 글라스, PDMS 또는 플라스틱 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 제2 패턴(280, 290)의 양단이 노출되도록 상기 덮개(300)가 상기 제2 패턴(280, 290)을 부분적으로 덮는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 제2 패턴(280, 290) 위에 상기 덮개를 형성하는 단계는 양극 접합, PDMS 접합 또는 플라스틱 패치를 이용한 접합 중에서 선택되는 어느 하나의 접합으로 형성된 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치의 제조 방법.
반도체 기판(200)의 전면에 실리콘산화막 또는 실리콘 질화막으로 제1 절연막(210)이 형성되는 단계;

사진 식각 공정을 이용하여 상기 제1 절연막(210)을 식각하고, 상기 반도체 기판(200)을 식각하여 형성된 제1 패턴(280, 290)으로 한 쌍의 챔버가 형성되는 단계;

사진 식각 공정을 이용하여 상기 제1 절연막(210)을 식각하고, 상기 반도체 기판(200)을 상기 제1패턴이 형성된 깊이보다 작은 깊이로 식각하여 한 쌍의 상기 제1 패턴(280, 290)의 사이를 연결하는 제2 패턴(220)이 형성되는 단계;

산화된 상기 반도체 기판(200)의 전면에 실리콘산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성된 제3 절연막(240)을 증착하여 상기 제2 패턴의 내부에 매몰된 채널(250)이 형성되는 단계;

상기 반도체 기판(200)의 전면을 평탄화시켜 상기 채널 상부가 편평하게 되는 단계; 및

상기 제2 패턴(200) 위에 덮개가 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치의 제조 방법.
제9항에 있어서,

상기 제2 패턴(220)을 형성하는 단계 이후에 상기 제2 패턴(220)의 폭을 감소시키기 위하여 상기 제2 패턴(280, 290) 내부의 반도체 기판(200)이 산화되는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치의 제조 방법.
제9항에 있어서,

상기 제2 패턴(220)을 형성하는 단계 이후에 상기 제2 패턴(220)의 폭을 감소시키기 위하여 상기 제2 패턴(220)의 측벽에 제2 절연막(230)이 증착되는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치의 제조 방법.