KR20050003944A - 히터와 온도센서가 내장된 마이크로 챔버 구조체 및 제작방법 - Google Patents

히터와 온도센서가 내장된 마이크로 챔버 구조체 및 제작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 히터와 온도센서가 내장된 마이크로 챔버 구조체 및 제작 방법에 관한 것으로, 특히 마이크로 챔버의 내벽에 마이크로 히터와 온도센서를 내장한 구조의 마이크로 챔버 구조체 및 이의 제작 방법을 개시한다.
본 발명의 마이크로 챔버 구조체는 히터를 마이크로 챔버 내부에 위치 시킴으로 인해 열효율을 개선하고, 마이크로 챔버의 바닥 부분에 두꺼운 실리콘 산화막 (SiO2)을 형성함으로써 주위의 다른 마이크로 챔버 들과의 열간섭(thermal interference)을 최소화 함으로써 각각의 마이크로 챔버내의 유체 온도를 균일하게 할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의한 마이크로 챔버 구조체는 바이오 칩(bio-chip), 미세 유체 반응기, PCR(polymerase chain reaction) 증폭기 등에 사용될 수 있다.

Description

히터와 온도센서가 내장된 마이크로 챔버 구조체 및 제작 방법{Fabrication method and the micro chamber structure with integrated heater and temperature sensor}
생명과학, 유전공학, 진단의학 등의 분야에서 극 미량의 물질의 반응을 연구, 분석하는데 있어서 마이크로 챔버가 요구되고 있다. DNA 칩, 단백질 칩 (Protein Chip) 등의 바이오 소자에서는 반응물이나 미세입자의 분리, 추출, 혼합, 증폭의 기능을 수행하기 위해서 다수의 마이크로 챔버 구조체들이 필요하게 된다. 특히 마이크로 PCR(Polymerase Chain Reaction) 증폭기, 미세 반응기의 등이 구현을 위해서는 반응물이나 미세 유체의 온도조절을 위한 고효율의 마이크로 히터와 온도 센서가 부가적으로 필요하게 된다.
종래의 기술을 도1에 나타내었다. 종래의 마이크로 챔버의 구조 및 제작방법은 다음과 같다. 실리콘 구조물(1)과 유리 기판(2)을 접착제(3)로 접합함으로써 마이크로 챔버(4)를 형성한다. 실리콘 웨이퍼를 습식 식각, 건식 식각, 레이저 절단 등의 공정을 통해 마이크로 챔버(4)의 일부분을 구성하는 실리콘 구조물을 제작한다. 실리콘 구조물의 상부면에 유체(8)의 출입을 위한 유체 입구 통로(5)와 유체출구 통로(6)를 형성한다. 실리콘 구조물의 외부 바닥면(12)에 전기 히터(9)와 전기 단자대(10)를 형성한다. 유체 입구 통로와 유체 출구 통로에 유체공급용 튜브(7)를 삽입하고, 실리콘 구조물의 상부면에 접착제(3)를 도포한 후 유리기판을 접합하여 마이크로 챔버를 제작한다. 마이크로 챔버 내부로 삽입된 유체공급용 튜브를 통하여 유체가 공급되고 배출된다. 유체의 온도를 높이기 위한 히터와 전력 공급을 위한 전기 단자대는 마이크로 챔버의 외부 바닥면(12)에 배치된다. 온도 조절을 보다 용이하게 하기 위해서 서로 다른 온도를 유지하는 형태의 마이크로 챔버들을 연속적으로 배치하는 마이크로 챔버 Array 구조체를 제작하는 방법도 있다.
상기에 언급한 종래의 기술은 모두 히터를 마이크로 챔버의 외부의 한쪽면에 배치함으로써 히터의 열효율이 떨어져 온도조절이 용이하지 않고, 또한 온도상승 시간이 늦은 단점이 있다. 또한 대부분의 시스템에서 마이크로 챔버 어레이(chamber array)를 구성하게 되는데 인접 마이크로 챔버 간의 열 간섭(Thermal interference)에 의해 각각의 마이크로 챔버의 온도를 독립적으로 조절하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 마이크로 챔버의 내부에 히터와 온도센서를 내장하여 히터의 열효율을 극대화 함으로써, 온도조절이 용이한 마이크로 챔버 구조체 및 이의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 마이크로 챔버 구조체는 히터를 마이크로 챔버 내부에 위치 시켜서 열효율이 좋을 뿐 아니라, 마이크로 챔버의 바닥부분에 두꺼운 실리콘 산화막(SiO2)으로 형성함으로써 주위의 다른 마이크로 챔버들과의 열간섭(thermal interference)을 최소화 할 수 있다.
도 1은 종래의 마이크로 챔버 구조도
도 2은 본 발명에 의한 마이크로 챔버 구조체의 단면도
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1. 실리콘 구조물 2. 유리기판
3. 접착제 4. 마이크로 챔버
5. 유체 입구 통로 6. 유체 출구 통로
7. 유체공급용 튜브 8. 유체
9. 전기 히터 10. 전기 단자대
11. 실리콘 구조물의 내부 바닥면 12. 실리콘 구조물의 외부 바닥면
13. 실리콘 산화막 14. 실리콘 질화막
15. 온도센서
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 챔버 구조체의 단면도를 도2에 나타내었다.
마이크로 챔버(4) 구조체는 실리콘 웨이퍼의 식각을 통해 형성된 실리콘 구조물(1)과, 실리콘으로의 열 손실을 줄이고 근접 마이크로 챔버로의 열 간섭을 줄이기 위한 열산화막(13)과, 열산화막위에 형성된 열을 발생시키기 위한 히터(9)와,열산화막위에 형성된 온도 센서(15)와, 히터와 온도 센서를 보호하기 위한 질화막(14)과, 마이크로 챔버를 봉합시키기 위한 유리 기판(2)으로 구성된다. 유리 기판에는 유체를 공급하기 위한 유체 입구 통로(5)와 유체 출구 통로(6)가 형성되어 있다.
본 발명의 마이크로 챔버 제작 방법은 실리콘 기판을 식각하여 실리콘 구조물을 형성하는 단계와, 실리콘 기판을 통한 히터에서 발생하는 열량이 소실되는 것을 막고 근접 마이크로 챔버로의 열 간섭을 줄이기 위해서 상기 실리콘 마이크로 챔버를 열산화(Thermal Oxidation) 시켜서 열차단막을 형성하는 단계와, 히터와 온도 센서를 마이크로 챔버 내부의 열산화막 상에 형성하는 단계와, 히터와 온도 센서를 유체와 접촉하지 않게 하여 실리콘 질화막을 도포하는 단계와, 유리기판에 유체의 입구와 출구를 형성하는 단계와, 상기 유리기판에 유체공급용 튜브를 삽입하는 단계와, 튜브가 삽입된 유리기판과 실리콘 기판을 접합하는 단계를 포함한다.
본 발명의 히터와 온도 센서가 내장된 마이크로 챔버 구조체 및 제작 방법을 세부적으로 순차적으로 서술하고자 한다.
(100)의 방향성을 가지는 실리콘 웨이퍼 기판을 이방성 식각 용액인 KOH solution을 이용하여 마이크로 챔버를 형성한다. 상기의 이방성 식각 용액을 이용한 실리콘 웨이퍼의 식각 방법은 본 발명에 관하여 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 알 수 있는 내용이므로 자세히 서술하지 않았다. 다양한 방법을 이용하여 마이크로 챔버의 모양을 변화 시킬 수 있겠지만, 마이크로 챔버 내부에 히터와 온도센서를 형성하기 위해서는 KOH 이방성 식각에 의한 마이크로 챔버의 구조가 가장 적절하다.
히터에서 발생하는 열량이 실리콘 기판을 통해서 소실되는 것을 막고 근접 마이크로 챔버로의 열간섭을 줄이기 위해서 상기 실리콘 마이크로 챔버를 열산화하여 열차단막을 형성한다. 일반적인 열산화 방법을 이용해서는 5 % 이하의 열 손실을 방지할 수 있는 열산화막을 형성할 수 없다. 본 발명에서는 다공질 실리콘 미세 가공법을 이용하여 20 ㎛ 이상의 두꺼운 실리콘 산화막을 형성한다. 상기의 다공질 실리콘 미세가공법은 본 발명에 관하여 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 알 수 있는 내용이므로 자세히 서술하지 않는다.
100 ㎛ 이상의 깊이를 가지는 마이크로 챔버의 내부에 일반적인 포토레지스트를 사용해서 히터, 온도센서를 형성하는 것은 불가능하다. 그래서 SU-8과 같은 수 백 ㎛ 이상 도포되는 포토레지스트를 이용하여 히터, 온도센서를 패터닝한다. 히터와 온도센서의 재질은Pt(백금)이 적합하다. 그리고 형성된 히터와 온도센서가 마이크로 챔버내의 유체에 손상을 입지 않도록 열전도도가 우수하고 전기적 절연성이 뛰어난 Si3N4막을 히터와 온도 센서와 마이크로 챔버 내부에 증착시킨다.
마이크로 챔버 내부로 유체를 주입하고 유체의 열손실을 막기 위해서 캡(cap)이 필요하다. 본 발명에서는 유리 기판을 이용하여 마이크로 챔버를 밀봉한다. Sind blasting법을 이용하여 유리기판에 유체 입구 통로 와 유체 출구 통로를 형성하고 이를 구조체가 포함된 실리콘 기판에 높은 전압을 걸어서 실리콘-유리 양극 접합 방법을 통해 마이크로 챔버 구조체를 구성한다. 상기의 실리콘-유리 양극접합 방법은 본 발명에 관하여 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 알 수 있는 내용이므로 자세히 서술하지 않는다.
본 발명에 의한 마이크로 챔버 구조체 및 제작 방법은 히터와 온도센서를 마이크로 챔버 내부에 위치시켜서 부가적인 공정이 필요 없이 두꺼운 실리콘 산화막을 통해서 고효율, 저열간섭(low thermal interference)의 특성을 얻을 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 히터를 마이크로 챔버 내부에 위치 시켜서 열효율을 최대화시키고 마이크로 챔버의 바닥 부분에 두꺼운 실리콘 산화막(SiO2)으로 형성함으로써 주위의 다른 마이크로 챔버 들과의 열간섭(thermal interference)을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명에 의한 마이크로 챔버 구조체는 바이오 칩(bio-chip), 미세유체 반응기, PCR(polymerase chain reaction) 증폭기 등에 사용될 수 있다.

Claims (3)

  1. 실리콘 구조물과 유리기판에 의해 밀봉된 마이크로 챔버와,
    실리콘 구조물의 내벽에 형성된 실리콘 산화막과,
    실리콘 산화막상에 형성된 히터와,
    열산화막위에 형성된 온도 센서와,
    히터와 온도 센서를 보호하기 위한 질화막(6)과,
    유체 공급 통로로 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로 챔버 구조체
  2. 제 1항에 있어서, 유체를 공급하기 위한 입구와 출구가 형성된 유리기판으로 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로 챔버 구조체
  3. 실리콘 기판을 식각하여 실리콘 구조물을 형성하는 단계와,
    실리콘 기판을 통한 히터에서 발생하는 열량이 소실되는 것을 막고 근접 마이크로 챔버로의 열 간섭을 줄이기 위해서 상기 실리콘 구조물을 열 산화(Thermal Oxidation)시켜서 열차단막을 형성하는 단계와,
    히터와 온도 센서를 마이크로 챔버 내부의 열산화막 표면에 형성하는 단계와,
    히터와 온도 센서를 유체와 접촉하지 않게 하여 실리콘 질화막을 도포하는 단계와,
    유리기판에 유체의 입구와 출구를 형성하는 단계와,
    유리기판과 실리콘 기판을 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 챔버 제작 방법
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