KR101528488B1

KR101528488B1 - 나노포어 제조방법, 그 제조방법으로 제조된 나노포어, 그 나노포어를 이용한 실시간 분자서열 분석 시스템 및 그 나노포어를 이용한 생체고분자의 분자서열 분석방법

Info

Publication number: KR101528488B1
Application number: KR1020120006550A
Authority: KR
Inventors: 최중범; 이종진
Original assignee: 나노칩스 (주)
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2015-06-12
Also published as: KR20130085644A

Abstract

본 발명은 나노포어 제조방법, 그 제조방법으로 제조된 나노포어, 그 나노포어를 이용한 실시간 분자서열 분석 시스템 및 그 나노포어를 이용한 생체고분자의 분자서열을 분석방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 나노포어 제조방법에 있어서, 기판의 상부면에 제1박막을 형성하는 단계; 제1박막이 형성된 기판의 상부면과 하부면 각각의 외주부에 리소그래피 공정과 식각공정을 이용해 제1박막과 기판 일부를 제거하여 정렬표시를 형성하는 단계; 기판의 하부면 중앙측을 리소그래피 공정과 식각공정을 이용하여 제1박막의 하부면 중앙부가 드러날 때까지 식각하는 단계; 제1박막의 중앙에 리소그래피 공정과 식각공정을 이용해 나노홀을 형성시키는 단계; 제2박막을 1회 이상 증착하여 나노홀의 직경을 감소시키는 단계; 상부에 제3박막 층을 얹는 단계; 제3박막을 보호하기 위해 제3박막의 상부면으로 제4박막을 형성시키는 단계; 기판 하부로부터 식각공정을 적용하여 제3박막의 중앙에 나노포어를 형성시키는 단계; 및 제2박막과 제4박막을 일부 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노포어 제조방법에 관한 것이다.

Description

나노포어 제조방법, 그 제조방법으로 제조된 나노포어, 그 나노포어를 이용한 실시간 분자서열 분석 시스템 및 그 나노포어를 이용한 생체고분자의 분자서열 분석방법{Fabrication method of nanopore, analysis system and method for realtime molecular sequencing using the nanopore}

본 발명은 나노포어 제조방법, 그 제조방법으로 제조된 나노포어, 그 나노포어를 이용한 실시간 분자서열 분석 시스템 및 그 나노포어를 이용한 생체고분자의 분자서열 분석방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 나노포어 내부에 탐침전극을 구비하지 않고, 측정조의 상부과 하부에 각각 전극을 위치시켜 나노포어를 통과하는 디옥시리보핵산 단일나선(ss-DNA; Single-stranded DNA)의 염기서열을 분석할 수 있고, 디옥시리보핵산 단일나선(ss-DNA; Single-stranded DNA)만 통과시킬 수 있는 폭을 갖는 나노포어의 제조방법에 대한 것이다.

생체고분자(biological polymer)를 구성하고 있는 단위분자의 서열(예를 들어, 폴리펩티드, 단백질의 아미노산 분자서열, 혹은 DNA의 염기분자 서열 등)을 해독하는 것은 생체정보 메커니즘을 이해하기 위해 매우 중요한 일이다. 대표적인 예로, DNA는 유전정보의 총체이며 뉴클레오티드 단위체로 구성된다. 디옥시리보핵산에 기록되어 있는 뉴클레오티드의 순서를 바탕으로 단백질이 합성되는데(중심원리), 본래의 염기서열과 다른 변이된 염기서열을 가질 경우 단백질 합성이 불가능하거나 또는 전혀 다른 단백질이 합성되어 심각한 생리적 문제가 발생될 수 있다.

따라서 DNA가 올바른 뉴클레오티드 서열을 이루고 있는지 검사하는 것은 질병 예방과 치료차원에서 매우 중요하며, 게놈 프로젝트를 통해 인체의 유전자 지도가 밝혀짐에 따라 유전자 수준에서의 병리학적 진단과 치료는 더더욱 활성화되고 있다.

각각의 뉴클레오티드는 동일한 하나의 5탄당(디옥시리보오스) 및 인산기를 갖지만 서로 다른 네 종류의 염기인 아데닌(Adenine; A), 구아닌(Guanine; G), 시토신(Cytosine; C), 티민(Thymine; T)을 가짐에 따라 총 네 종류의 서로 다른 뉴클레오티드가 존재한다. 여기서 A, G는 두 개의 고리형 구조로 된 퓨린(Purine) 계열이며, C와 T는 하나의 고리형 구조로 된 피리미딘(Pyrimidine) 계열이다.

DNA의 염기서열을 분석하는 방법은 Maxam-Gilbert Sequencing, Chain-Termination Methods 등의 초기 분석법에서부터 최근의 Dye-Terminator Sequencing에 이르기까지 여러 방법이 개발되어 있다. 그러나 이러한 방법들은 단위 시간당 분석하는 염기의 개수가 적고, 방사성 동위원소로 치환하거나 색소를 입히는 등 사전 준비작업에 많은 시간이 소요되는 단점이 있다. 게다가 비용이 많이 들며, 분석 후 방사성 폐기물 등 환경오염물질이 배출되는 것도 단점으로 지적된다. 또한 분석할 수 있는 DNA의 길이에 제한이 있으며 동시에 다수개의 DNA를 분석할 때도 어려움이 있다.

이와 같은 기존의 단위구성분자서열 분석법들이 직면한 여러가지 문제점들을 고려할 때, 최근 나노기술의 급격한 발전은 바이오기술과 결합하여 새로운 실시간 분자서열해독을 위한 미래의 잠재적 대안기술을 제공할 가능성이 있다.

디옥시리보핵산의 염기서열을 분석하기 위한 잘 알려진 기존의 방법들은 한 번에 분석할 수 있는 염기의 양이 적고, 분석속도가 느리며, 고비용인 단점들을 지니고 있다. 근래 주사터널링현미경(STM; Scanning Tunneling Microscope)을 이용해 염기를 분석하는 방법이 개발되었으나 DNA가 놓여진 정확한 위치와 형태를 알지 못하므로 가능한 전 영역을 조사해야하는데 이로 인해 긴 시간이 소모되고, 고가의 주사터널링현미경이 필요하며 탐침의 이동범위에 한계가 있으므로 조사영역, 즉 분석할 수 있는 디옥시리보핵산 염기의 개수 역시 제한된다.

이러한 단점을 개선하기 위해 나노포어(nanopore)의 개념이 제시되었는데 디옥시리보핵산의 위치를 고정하고 탐침을 이동시키는 기존의 방식을 탈피하여 나노포어 내부에 탐침을 설치하고 나노포어를 통하여 디옥시리보핵산을 통과시킴으로써 기존의 문제점을 해결하려는 방법이다. 하지만 주사터널링현미경과 동일하게 터널링 전류를 측정하므로 나노포어 내부에 탐침전극을 구비하고, 탐침에 전압을 인가하여야 하므로 제조상의 어려움이 있다.

따라서 나노포어 내부에 탐침전극을 설치하지 않고, 측정조의 상부과 하부에 전극을 위치시킬 수 있는 나노포어의 제조방법, 나노포어를 이용한 실시간 분자서열 분석 시스템 및 그 나노포어를 이용한 분자서열을 분석방법이 요구되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 일실시예에 따르면, 나노포어가 형성된 기판, 나노포어 내부에 별도의 탐침전극를 설치할 필요 없이 측정조의 상부과 하부에 전극을 위치시킬 수 있는 나노포어의 제조방법, 그 제조방법으로 제조된 나노포어, 그 나노포어를 이용한 실시간 분자서열 분석 시스템 및 그 나노포어를 이용한 생체고분자의 분자서열을 분석방법을 제공하게 된다.

또한, 나노포어의 내부에 탐침전극을 포함하지 않기 때문에 제작이 용이하고, 측정조의 상부과 하부 각각에 위치한 전극에 소정의 측정장비들을 연결하여 초고속, 실시간으로 디옥시리보핵산의 염기서열을 분석할 수 있으며, 한 번의 분석 시행으로 분석할 수 있는 염기의 개수가 무제한적인 나노포어의 제조방법, 그 제조방법으로 제조된 나노포어, 그 나노포어를 이용한 실시간 분자서열 분석 시스템 및 그 나노포어를 이용한 생체고분자의 분자서열을 분석방법을 제공하게 된다.

본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.

본 발명의 제1목적은, 나노포어 제조방법에 있어서, 기판의 상부면에 제1박막을 증착하는 단계; 제1박막이 코팅된 기판의 상단과 하단 각각에 리소그래피 공정과 식각공정을 이용해 제1박막과 기판 일부를 제거하여 정렬표시를 형성하는 단계; 기판의 하부면 중앙측을 리소그래피 공정과 식각공정을 이용하여 제1박막의 하부면 중앙부가 드러날 때까지 식각하는 단계; 제1박막의 중앙에 리소그래피 공정과 식각공정을 이용해 나노홀을 형성시키는 단계; 제2박막을 1회 이상 증착하여 나노홀의 직경을 감소시키는 단계; 상부에 제3박막 층을 얹는 단계; 제3박막을 보호하기 위해 제3박막의 상부면으로 제4박막을 형성시키는 단계; 기판 하부로부터 식각공정을 적용하여 제3박막의 중앙에 나노포어를 형성시키는 단계; 및 제2박막과 제4박막을 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노포어 제조방법으로 달성될 수 있다.

정렬표시를 형성하는 단계는, 제1박막의 상단에 포토리소그래피로 포토레지스트 마스크를 형성하는 단계; 제1박막의 상단을 반응성 이온식각으로 깊게 파는 단계; 기판의 하단에 포토리소그래피로 포토레지스트 마스크를 형성하는 단계; 기판 하단을 반응성이온식각으로 깊게 파는 단계; 및 제1박막의 상단과 기판 하단의 포토레지스트 마스크를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

제1박막의 하부면 중앙부가 드러날 때까지 식각하는 단계는, 기판 하단에 포토리소그래피로 포토레지스트 마스크를 형성하는 단계; 반응성이온식각 또는 습식식각을 통해 제1박막의 하부면 중앙부가 드러나는 단계; 및 포토레지스트 마스크를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

나노홀을 형성하는 단계는, 제1박막 상부에 포토리소그래피, 전자빔리소그래피 또는 나노임프린트로 레지스트 마스크를 형성한 후 반응성 이온식각을 하고, 레지스트 마스크를 제거하여 나노홀을 형성하거나, 집속이온빔으로 밀링하여 나노홀을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

나노홀의 직경은 수 나노미터 내지 수백 나노미터인 것을 특징으로 할 수 있다.

나노홀의 직경을 감소시키는 단계는, 원자층증착 또는 화학기상증착을 이용하여 원하는 나노포어의 폭을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

제3박막은 그래핀, 금속박막 또는 유전체박막 등으로 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.

나노포어를 형성시키는 단계는, 제2박막을 마스크 삼아 하부로 집속이온빔, 반응성이온식각, 산소플라즈마, 이온밀링 또는 투과전자현미경을 이용하여 나노포어를 형성시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

나노홀의 직경을 감소시키는 단계와 제3박막 층을 얹는 단계 사이에, 평탄화 공정을 적용하여 제2박막의 상부면을 연마하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

평탄화 공정은 화학적 기계적 연마 공정인 것을 특징으로 할 수 있다.

상부면을 연마하는 단계 전에, 나노홀이 메워지도록 제5박막을 형성시키는 단계를 더 포함하고, 상부면을 연마하는 단계 후에 제5박막을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

제5박막은 제1박막과 제2박막에 대해 선택적으로 식각 가능한 물질인 것을 특징으로 할 수 있다.

나노포어의 직경은 수 나노미터 내지 수십 나노미터인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은 앞서 언급한 나노포어 제조방법에 의해 제조된 나노포어로 달성될 수 있다.

본 발명의 제3목적은, 전극에 전압을 인가하여 측정조의 상부과 하부에 전위차를 형성시켜 측정조를 채우고 있는 전해질의 이온과 생체고분자가 앞서 언급한 나노포어 제조방법에 의해 제조된 나노포어를 통과하는 단계; 및 나노포어를 통과하는 생체고분자를 구성하는 서로 다른 단위분자와 나노포어 사이의 상호작용 차이에 따른 전해질 이온의 전류변화를 감지하여 생체고분자의 분자서열을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체고분자의 분자서열을 분석방법으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 제4목적은, 분자서열 분석시스템에 있어서, 내부에 생체고분자를 유지시키며 전류 측정에 사용할 이온을 포함하는 전해질이 저장된 측정조; 측정조의 상부와 하부를 분리하고, 생체고분자가 꼬임이나 겹쳐짐 없이 지나갈 수 있는 직경을 갖는 제 1항 내지 제13항 중 적어도 어느 한 항의 나노포어 제조방법에 의해 제조된 나노포어가 형성된 분리벽; 측정조의 상부와 하부 각각에 설치되어 측정조의 상부와 하부에 전위차를 형성시켜 생체고분자와 전해질의 이온들이 나노포어를 통해 이동될 수 있는 힘을 공급하고, 나노포어를 통과하는 생체고분자를 구성하는 서로 다른 단위분자와 나노포어 사이의 상호작용 차이에 따른 전해질 이온의 전류변화감지에 사용되는 전극; 및 전극에 연결되어 전극에 전압을 인가하는 전압인가부와 전류변화를 측정하여 생체고분자의 분자서열을 분석하는 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 분자서열 분석시스템으로 달성될 수 있다.

따라서, 설명한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의하면, 나노포어가 형성된 기판, 분리벽 내부에 별도의 탐침소자를 설치할 필요없이 측정조의 상부와 하부에 전극을 위치시킬 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 나노스케일의 탐침소자를 포함하지 않기 때문에 제작이 용이하며, 측정조의 상부와 하부 각각에 연결된 전극으로부터 초고속, 실시간으로 디옥시리보핵산의 염기서열을 분석할 수 있으며, 한 번의 분석 시행으로 분석할 수 있는 염기의 개수가 무제한적이라는 장점이 있다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노포어 제조방법의 흐름도,
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 제1박막이 형성된 기판의 사시도,
도 2b는 도 2a의 A-A 단면도,
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 정렬표시가 형성된 기판의 사시도,
도 3b는 도 3a의 B-B 단면도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 포토리소그래피 및 식각을 이용하여 제1박막이 드러날 때까지 기판하부를 제거한 상태의 단면도,
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 제1박막에 나노홀을 형성한 상태의 단면도,
도 5b는 도 5a의 평면도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 원자층 증착 또는 화학기상증착을 이용하여 제2박막을 형성한 상태의 단면도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제2박막 상부로 제3박막을 얹은 상태의 단면도,
도 8은 본 발명의 일실시예에에 따른 제4박막을 형성한 상태의 단면도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 집속이온빔, 반응성이온식각, 산소플라즈마, 이온밀링 또는 투과전자현미경을 이용하여 제3박막에 나노포어를 형성한 상태의 단면도,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 제2박막 및 제4박막을 일부 제거한 상태의 단면도,
도 11은 도 10의 평면도,
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 나노포어에 DNA가 통과되는 상태의 단면도,
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원자층 증착 또는 화학기상증착을 이용하여 제2박막을 형성한 상태의 단면도,
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 평탄화공정을 적용하여 제2박막 일부를 연마한 상태의 단면도,
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연마한 제2박막의 상부로 제3박막을 얹은 상태의 단면도,
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에에 따른 제4박막을 형성한 상태의 단면도,
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 집속이온빔, 반응성이온식각, 산소플라즈마, 이온밀링 또는 투과전자현미경을 이용하여 제3박막에 나노포어를 형성한 상태의 단면도,
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제2박막 및 제4박막을 일부 제거한 상태의 단면도,
도 19는 도 18의 평면도,
도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 나노포어에 DNA가 통과되는 상태의 단면도를 도시한 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 나노 포어(1) 제조방법에 대해 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노포어(1) 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다. 먼저, 본 발명의 일실시예예 따른 나노 포어(1)를 제조하기 위해서는 기판(10)의 상부면에 제1박막(20)을 형성하게 된다(S10). 기판(10)은 기계적인 지지역할을 담당하는 것으로 Si, SiO₂, Si₃N₄ 등 어떠한 물질도 사용가능하다.

도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 제1박막(20)이 형성된 기판(10)의 사시도를 도시한 것이고, 도 2b는 도 2a의 A-A 단면도를 도시한 것이다. 그리고, 제1박막(20)이 형성된 기판(10)의 상단과 하단 각각에 정렬표시(30)를 제작하게 된다(S20).

도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 정렬표시(30)가 형성된 기판(10)의 사시도를 도시한 것이고, 도 3b는 도 3a의 B-B 단면도를 도시한 것이다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 정렬표시(30)는 제1박막(20)이 코팅된 기판(10)의 상단 꼭지점 부근과 하단 꼭지점 부근에 총 8개가 형성됨을 알 수 있다.

구체적 실시예에서 정렬표시(30)를 제작하는 방법은 제1박막(20)이 형성된 기판(10)의 상단에 포토리소그래피로 포토레지스트 마스크(Photoresist mask)를 형성하는 단계, 기판(10) 상단을 반응성이온식각(RIE: Reactive Ion Etching)으로 깊게 파는 단계, 기판(10) 하단에 포토리소그래피로 포토레지스트 마스크(Photoresist Mask)를 형성하는 단계, 기판(10) 하단을 반응성이온식각으로 깊게 파는 단계 그리고, 기판(10) 상단과 하단의 포토레지스트 마스크를 제거하는 단계를 거쳐 제작된다.

이어서, 기판(10) 중앙을 하단으로부터 제1박막(20)의 중앙 하단면이 드러날 때까지 식각하게 된다(S30). 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 포토리소그래피 및 식각을 이용하여 제1박막(20)이 드러날 때까지 기판(10) 하부를 제거한 상태의 단면도를 도시한 것이다. 나노포어(1)가 형성될 부분의 기판(10)을 제거하기 위한 구체적 방법으로는 기판(10) 하단에 포토리소그래피로 포토레지스트 마스크를 형성하는 단계, 반응성이온식각 또는 습식식각(wet etch)을 통해 제1박막(20)의 중앙 하부면을 드러내는 단계 그리고, 포토레지스트를 제거하는 단계를 거쳐 제작되게 된다. 이러한 식각공정에 사용되는 시약은 기판(10)에는 반응하여 기판(10)을 제거하지만 제1박막(20)에는 반응하지 않는 것을 사용하게 된다.

그리고, 제1박막(20)의 중앙부를 제거하여 나노홀(40)을 형성하게 된다(S40). 도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 제1박막(20)에 나노홀(40)을 형성한 상태의 단면도를 도시한 것이고, 도 5b는 도 5a의 평면도를 도시한 것이다.

제1박막(20)에 나노홀(40)을 형성하는 구체적인 방법은 제1박막(20) 상부에 포토리소그래피, 전자빔리소그래피 또는 나노임프린트 등으로 레지스트 마스크를 형성하고, 반응성이온식각으로 식각한 후 레지스트마스크를 제거하거나 직접 집속이온빔(FIB: Focused Ion Beam)으로 밀링(Milling)하여 제작하게 된다. 또한, 이러한 방법에 의해 제작된 나노홀(40)의 직경은 수 나노미터 내지 수백 나노미터 정도가 된다.

그리고, 원하는 폭의 나노포어(1)를 형성하기 위해 제2박막(50)을 형성하게 된다(S50). 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 원자층증착 또는 화학기상증착을 이용하여 제2박막(50)을 형성한 상태의 단면도를 도시한 것이다. 이러한 제2박막(50)을 증착하는 것은 증착되는 두께를 조절하여 원하는 나노포어(1)의 직경을 형성하기 위함이다.

이러한 제2박막(50)의 증착방법은 원자층증착(ALD: Atomic-Layer Deposition) 또는 화학기상증착(CVD: Chemical Vapor Deposition)방법을 적용하게 되는데, 나노홀(40)의 직경이 x일 때, 최종 나노포어(1)의 폭을 y로 하려면 제2박막(50)의 두께는 (x-y)/2가 되도록 증착하여야 한다. 보다 구체적으로 나노홀(40)의 폭이 20nm이고, 원하는 나노포어(1)의 폭이 4nm이고, 원자층증착의 1step으로 0.2nm의 제2박막(50)층이 증착되는 경우, 40번 제2박막(50)을 원자층증착하여 원하는 나노포어(1)의 폭을 형성할 수 있게 된다. 또한, 나노홀(40)의 폭이 20nm이고, 원하는 나노포어(1)의 폭이 4nm이고, 화학기상증착이 1nm/sec 인 경우, 8초 동안 화학기상증착을 하게 되면 원하는 나노포어(1)의 폭을 형성할 수 있게 된다.

그리고, 제2박막(50)의 상부로 제3박막(60)을 얹게 된다(S60). 제3박막(60)은 ss-DNA(2) 한 염기와 반응할 정도로 얇은 막이어야 한다. 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제2박막(50) 상부로 제3박막(60)을 얹은 상태의 단면도를 도시한 것이다. 그리고, 제3박막(60)을 보호하기 위한 제4박막(70)을 제3박막(60) 상부에 형성하게 된다(S70). 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 제4박막(70)을 형성한 상태의 단면도를 도시한 것이다.

제3박막(60)은 그래핀, 금속박막 또는 유전체박막 등으로 구성되고, 제3박막(60)을 화학기상증착 등의 방법으로 직접 형성하는 경우 제2박막(50) 상부뿐 아니라 하부와 측면에도 형성되게 되므로 그래핀, 금속박막 또는 유전체박막을 별도로 미리 형성시켜둔 후 기판(10)에 직접 얹거나, 제3박막(60) 물질에 대해 습식식각비가 큰 물질을 버퍼층(Bufferlayer)으로 증착한 후 제3박막(60)을 화학기상증착이나 원자층 증착, 금속증착(metal evaporation), 분자빔 에피택시(MBE: Molecular Beam Epitaxy) 등의 방법으로 형성한 후 버퍼층을 습식식각으로 제거할 수도 있다.

제3박막(60) 물질은 수 옹스트롬 내지 수십 나노미터의 두께를 갖는 어떤 물질도 가능하다.

이어서, 이미 형성된 제2박막(50)을 마스크 삼아 기판(10) 하부로부터 집속이온빔(FIB), 반응성이온식각, 산소플라즈마(O₂ Plasma), 이온밀링(Ion milling), 투과전자현미경(TEM: Transmission Electron Microscope) 등을 이용하여 제3박막(60)에 나노포어(1)를 제작하게 된다(S80).

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 집속이온빔, 반응성이온식각, 산소플라즈마, 이온밀링 또는 투과전자현미경을 이용하여 제3박막(60)에 나노포어(1)를 형성한 상태의 단면도를 도시한 것이다.

마지막으로 나노포어(1)가 형성된 제3박막(60)을 돌출시키기 위해 제2박막(50)과 제4박막(70)을 일부 제거하게 된다(S90). 이러한 제2박막(50)과 제4박막(70)을 일부 제거하기 위한 식각액은 제3박막(60)에는 반응하지 않고, 제2박막(50)과 제4박막(70)에 반응하는 물질을 사용하게 된다. 제4박막(70)은 제3박막(60)의 상부에만 형성되어야하므로 분자빔 에피택시나 스핀코팅(Spin Coating), 스퍼터링(Sputtering) 등 비등방적 증착방법을 사용하는 것이 바람직하다. 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 제2박막(50) 및 제4박막(70)을 일부 제거한 상태의 단면도를 도시한 것이고, 도 11은 도 10의 평면도를 도시한 것이다.

또한, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 나노포어(1)에 ss-DNA(2)가 통과되는 상태의 단면도를 도시한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 나노포어(1)는 수 나노미터 내지 수십 나노미터의 폭을 갖게 되고, 제3박막(60)이 내측으로 돌출되어 있으며, 측정조의 상부와 하부 각각에 전극(3)을 위치하여 ss-DNA(2)가 나노포어(1)를 통과할 때의 전류변화를 측정하여 ss-DNA(2) 염기서열을 실시간으로 분석할 수 있게 된다.

또한, 분자서열 분석시스템은 내부에 생체고분자를 유지시키며 전류 측정에 사용할 이온을 포함하는 전해질이 저장된 측정조, 측정조의 상부와 하부를 분리하고, 생체고분자가 꼬임이나 겹쳐짐 없이 지나갈 수 있는 직경을 갖는 앞서 설명한 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 나노포어(1)가 형성된 분리벽, 측정조의 상부와 하부 각각에 설치되어 측정조의 상부와 하부에 전위차를 형성시켜 생체고분자와 전해질의 이온들이 나노포어(1)를 통해 이동될 수 있는 힘을 공급하고, 나노포어(1)를 통과하는 생체고분자를 구성하는 서로 다른 단위분자와 나노포어 사이의 상호작용 차이에 따른 전해질 이온의 전류변화감지에 사용되는 전극(3) 그리고, 전극(3)에 연결되어 전극(3)에 전압을 인가하는 전압인가부와 전류변화를 측정하여 생체고분자의 분자서열을 분석하는 측정부를 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 이러한 분자서열 분석 시스템에 의해, 전극(3)에 전압을 인가하여 측정조의 상단부와 하단부에 전위차를 형성시켜 생체고분자와 전해질의 이온들이 앞서 설명한 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 나노포어(1)를 통과하는 단계 그리고, 나노포어(1)를 통과하는 생체고분자를 구성하는 서로 다른 단위분자와 나노포어 사이의 상호작용 차이에 따른 전해질 이온의 전류변화를 감지하여 생체고분자의 분자서열을 분석하는 단계를 포함하여 생체고분자의 분자서열을 분석할 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노포어(1)의 제조방법에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노포어(1)의 제조방법은 앞서 설명한 본 발명의 일실시예에서 원자층증착 또는 화학기상증착 등을 이용하여 제2박막(50)을 형성하여 원하는 나노포어(1)의 폭을 형성하는 단계까지는 모두 동일하게 제작된다(S10, S20, S30, S40, S50). 따라서 그 이후의 과정부터 설명하도록 한다.

원자층증착 또는 화학기상증착 등으로 형성된 제2박막(50)은 모서리 부근에서 도 6에 도시된 바와 같은 날카로운 형태로 형성되지 않게 된다. 즉, 도 13에 도시된 바와 같이, 원자층증착 또는 화학기상증착 등으로 형성된 제2박막(50)의 모서리 부근은 일정한 곡면을 형성하게 된다. 즉, 제2박막(50)의 상부측 모서리 부근이 곡면으로 형성되는 경우, 후에 제3박막(60)에 집속이온빔, 이온밀링, 반응성 이온식각, 산소플라즈마, 투과전자현미경 등을 이용하여 나노포어(1)를 형성할 때, 제2박막(50)이 형성한 폭보다 큰 나노포어(1)를 형성하게 되어 원하는 나노포어(1)의 폭을 제조할 수 없는 문제가 발생되게 된다.

따라서 본 발명의 또 다른 실시예에서는 이러한 제2박막(50)의 상부측 모서리 부근의 곡면형상을 제거하기 위하여 곡면부근이 제거될 때까지 평탄화 공정을 수행하게 된다. 구체적 실시예에서 이러한 평탄화공정은 화학적 기계적 연마(CMP: Chemical Mechanical Polish) 방법을 적용하였다. 도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 평탄화공정을 적용하여 제2박막(50) 일부를 연마한 상태의 단면도를 도시한 것이다.

또한, 평탄화 공정 중 나노홀을 보호하기 위해 평탄화 공정을 진행하기 직전에 제5박막을 형성하여 홀의 내부를 메운 후 평탄화 공정을 진행하고, 평탄화 공정이 완료된 후 제5박막만 식각하는 공정을 추가할 수도 있다. 이때 제5박막은 제1박막(20), 제2박막(50)에 대해 선택적으로 식각 가능한 물질이라면 구체적인 재질에는 제한이 없다.

그리고, 평탄화 공정이 완료된 후, 상부로 제3박막(60)을 얹게 된다. 제3박막(60)은 앞서 언급한 본 발명의 일실시예와 같이, ss-DNA(2) 한 염기와 반응할 정도로 얇은 막이어야 한다. 도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 평탄화 공정이 완료된 후 상부로 제3박막(60)을 얹은 상태의 단면도를 도시한 것이다. 그리고 제3박막(60)을 보호를 위한 제4박막(70)을 제3박막(60) 상부에 증착시키게 된다. 도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제4박막(70)을 형성한 상태의 단면도를 도시한 것이다.

제3박막(60)은 앞서 언급한 본 발명의 일실시예와 동일하게 구성되고, 제3박막(60)을 화학기상증착 등의 방법으로 직접 형성하는 경우 제2박막(50) 상부뿐 아니라 하부와 측면에도 형성되게 되므로 그래핀, 금속박막 또는 유전체박막을 별도로 미리 형성시켜둔 후 기판(10)에 직접 얹거나, 제3박막(60) 물질에 대해 습식식각비가 큰 물질을 버퍼층(Bufferlayer)으로 증착한 후 제3박막(60)을 화학기상증착이나 원자층 증착, 금속증착(metal evaporation), 분자빔 에피택시(MBE: Molecular Beam Epitaxy) 등의 방법으로 형성한 후 버퍼층을 습식식각으로 제거할 수도 있다.

이어서, 이미 형성된 제2박막(50)을 마스크 삼아 기판(10) 하부로부터 집속이온빔(FIB), 반응성이온식각, 산소플라즈마(O₂ Plasma), 이온밀링(Ion milling), 투과전자현미경(TEM: Transmission Electron Microscope) 등을 이용하여 제3박막(60)에 나노포어(1)를 제작하게 된다.

도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 집속이온빔, 반응성이온식각, 산소플라즈마, 이온밀링 또는 투과전자현미경을 이용하여 제3박막(60)에 나노포어(1)를 형성한 상태의 단면도를 도시한 것이다.

마지막으로 나노포어(1)가 형성된 제3박막(60)을 돌출시키기 위해 제2박막(50)과 제4박막(70)을 일부 제거하게 된다. 이러한 제2박막(50)과 제4박막(70)을 일부 제거하기 위한 식각액은 제3박막(60)에는 반응하지 않고, 제2박막(50)과 제4박막(70)에 반응하는 물질을 사용하게 된다. 제4박막(70)은 제3박막(60)의 상부에만 형성되어야하므로 분자빔 에피택시나 스핀코팅(Spin Coating), 스퍼터링(Sputtering) 등 비등방적 증착방법을 사용하는 것이 바람직하다. 도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제2박막(50) 및 제4박막(70)을 일부 제거한 상태의 단면도를 도시한 것이고, 도 19는 도 18의 평면도를 도시한 것이다.

도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노포어(1)에 ss-DNA(2)가 통과되는 상태의 단면도를 도시한 것이다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제작된 나노포어(1)는 수 나노미터 내지 수십 나노미터의 폭을 갖게 되고, 제3박막(60)이 내측으로 돌출되어 있으며, 측정조의 상부와 하부 각각에 전극(3)을 위치하여 ss-DNA(2)가 나노포어(1)를 통과할 때의 전류변화를 측정하여 ss-DNA(2) 염기서열을 실시간으로 분석할 수 있게 된다.

또한, 분자서열 분석시스템은 내부에 다수의 생체고분자가 유지시키며 전류 측정에 사용할 이온을 포함하는 전해질이 저장된 측정조, 측정조의 상부와 하부를 분리하고, 생체고분자가 꼬임이나 겹쳐짐 없이 지나갈 수 있는 직경을 갖는 앞서 설명한 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제조된 나노포어(1)가 형성된 분리벽, 측정조의 상부과 하부 각각에 설치되어 측정조의 상부와 하부에 전위차를 형성시켜 생체고분자와 전해질의 이온들이 나노포어(1)를 통해 이동될 수 있는 힘을 공급하고, 나노포어(1)를 통과하는 생체고분자를 구성하는 서로 다른 단위분자와 나노포어 사이의 상호작용 차이에 따른 전해질 이온의 전류변화감지에 사용되는 전극(3), 그리고 전극(3)에 연결되어 전극(3)에 전압을 인가하는 전압인가부와 전류변화를 측정하여 생체고분자의 분자서열을 분석하는 측정부를 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 이러한 분자서열 분석 시스템에 의해, 전극(3)에 전압을 인가하여 측정조의 상단부와 하단부에 전위차를 형성시켜 생체고분자와 전해질의 이온들이 앞서 설명한 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제조된 나노포어(1)를 통과하는 단계, 그리고 나노포어(1)를 통과하는 생체고분자를 구성하는 서로 다른 단위분자와 나노포어 사이의 상호작용 차이에 따른 전해질 이온의 전류변화를 감지하여 생체고분자의 분자서열을 분석하는 단계를 포함하여 생체고분자의 분자서열을 분석할 수 있게 된다.

1:나노포어
2:ss-DNA
3:전극
10:기판
20:제1박막
30:정렬표시
40:나노홀
50:제2박막
60:제3박막
70:제4박막

Claims

나노포어 제조방법에 있어서,
기판의 상부면에 제1박막을 형성하는 단계;
상기 제1박막이 형성된 기판의 상단과 하단 각각에 리소그래피 공정과 식각공정을 이용해 상기 제1박막과 기판 일부를 제거하여 정렬표시를 형성하는 단계;
상기 기판의 하부면 중앙측을 리소그래피 공정과 식각공정을 이용하여 상기 제1박막의 하부면 중앙부가 드러날 때까지 식각하는 단계;
상기 제1박막의 중앙에 리소그래피 공정과 식각공정을 이용해 나노홀을 형성시키는 단계;
제2박막을 1회 이상 증착하여 상기 나노홀의 직경을 감소시키는 단계;
상부에 제3박막 층을 얹는 단계;
상기 제3박막을 보호하기 위해 상기 제3박막의 상부면으로 제4박막을 형성시키는 단계;
기판 하부로부터 식각공정을 적용하여 제3박막의 중앙에 나노포어를 형성시키는 단계; 및
상기 제2박막과 상기 제4박막을 일부 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노포어 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 정렬표시를 형성하는 단계는,
상기 제1박막의 상단에 포토리소그래피로 포토레지스트 마스크를 형성하는 단계;
상기 제1박막의 상단을 반응성 이온식각으로 깊게 파는 단계;
상기 기판의 하단에 포토리소그래피로 포토레지스트 마스크를 형성하는 단계;
상기 기판 하단을 반응성이온식각으로 깊게 파는 단계; 및
상기 제1박막의 상단과 상기 기판 하단의 포토레지스트 마스크를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노포어 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 제1박막의 하부면 중앙부가 드러날 때까지 식각하는 단계는,
기판 하단에 포토리소그래피로 포토레지스트 마스크를 형성하는 단계;
반응성이온식각 또는 습식식각을 통해 상기 제1박막의 하부면 중앙부가 드러나는 단계; 및
상기 포토레지스트 마스크를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노포어 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 나노홀을 형성하는 단계는,
상기 제1박막 상부에 포토리소그래피, 전자빔리소그래피 또는 나노임프린트로 레지스트 마스크를 형성한 후 반응성 이온식각을 하고 상기 레지스트 마스크를 제거하여 상기 나노홀을 형성하거나,
집속이온빔으로 밀링하여 상기 나노홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노포어 제조방법.
제 4항에 있어서,
상기 나노홀의 직경은 수 나노미터 내지 수백 나노미터인 것을 특징으로 하는 나노포어 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 나노홀의 직경을 감소시키는 단계는,
원자층증착 또는 화학기상증착을 이용하여 원하는 나노포어의 폭을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노포어 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 제3박막은 그래핀, 금속박막 또는 유전체박막으로 구성된 것을 특징으로 하는 나노포어 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 나노포어를 형성시키는 단계는,
상기 제2박막을 마스크 삼아 하부로 집속이온빔, 반응성이온식각, 산소플라즈마, 이온밀링 또는 투과전자현미경을 이용하여 상기 나노포어를 형성시키는 것을 특징으로 하는 나노포어 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 나노홀의 직경을 감소시키는 단계와 상기 제3박막 층을 얹는 단계 사이에,
평탄화 공정을 적용하여 상기 제2박막의 상부면을 연마하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노포어 제조방법.
제 9항에 있어서,
상기 평탄화 공정은 화학적 기계적 연마 공정인 것을 특징으로 하는 나노포어 제조방법.
제 9항에 있어서,
상기 상부면을 연마하는 단계 전에,
상기 나노홀이 메워지도록 제5박막을 형성시키는 단계를 더 포함하고,
상기 상부면을 연마하는 단계 후에 상기 제5박막을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노포어 제조방법.
제 11항에 있어서,
상기 제5박막은 상기 제1박막과 상기 제2박막에 대해 선택적으로 식각 가능한 물질인 것을 특징으로 하는 나노포어 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 나노포어의 직경은 수 나노미터 내지 수십 나노미터인 것을 특징으로 하는 나노포어 제조방법.
제 1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 나노포어 제조방법에 의해 제조된 나노포어.
전극에 전압을 인가하여 측정조의 상부와 하부에 전위차를 형성시켜 측정조를 채우고 있는 전해질에 포함된 이온들과 생체고분자가 제 1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 나노포어 제조방법에 의해 제조된 나노포어를 통과하는 단계; 및
상기 나노포어를 통과하는 생체고분자를 구성하는 서로 다른 단위분자와 나노포어 사이의 상호작용 차이에 따른 전해질 이온의 전류변화를 감지하여 상기 생체고분자의 분자서열을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체고분자의 분자서열을 분석방법.
분자서열 분석시스템에 있어서,
내부에 생체고분자를 유지시키며 전류측정에 사용할 이온을 포함하는 전해질이 저장된 측정조;
상기 측정조의 상부와 하부를 분리하고, 생체고분자가 꼬임이나 겹쳐짐 없이 지나갈 수 있는 직경을 갖는 제 1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 나노포어 제조방법에 의해 제조된 나노포어가 형성된 분리벽;
측정조의 상부와 하부 각각에 설치되어 상기 측정조의 상부와 하부에 전위차를 형성시켜 상기 생체고분자와 전해질의 이온들이 상기 나노포어를 통해 이동될 수 있는 힘을 공급하고, 상기 나노포어를 통과하는 생체고분자를 구성하는 서로 다른 단위분자와 나노포어 사이의 상호작용 차이에 따른 전해질 이온의 전류변화감지에 사용되는 전극; 및
상기 전극에 연결되어 상기 전극에 전압을 인가하는 전압인가부와 상기 전류변화를 측정하여 상기 생체고분자의 분자서열을 분석하는 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 실시간 분자서열 분석 시스템.