KR20070106886A - 마이크로어레이 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

프로브와 표적 물질의 혼성화 반응에 의한 혼성화 시그널의 검출 감도를 높일 수 있는 광결정구조를 가진 마이크로어레이와 그 제조방법이 제공된다. 마이크로어레이는 기판과, 기판 상에 형성된 광결정구조와, 광결정구조 상에 고정된 프로브를 포함하되, 광결정구조는 프로브와 혼성화되는 표적물질에 부착된 형광물질로부터 방출되는 빛의 파장을 증폭시키는 것을 특징으로 한다.

마이크로어레이, 광결정구조, 광결정층, 광밴드갭, 형광물질, 프로브

Description

마이크로어레이 및 이의 제조방법{Microarray and method for manufacturing the same}

도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 1차원의 광결정구조를 포함하는 마이크로어레이의 사시도이다.

도 1b는 도 1a의 마이크로어레이를 Ⅰb -Ⅰb' 선으로 절단한 단면도이다.

도 2a는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 공기와 제1 유전체로 형성된 3차원의 광결정구조를 포함하는 마이크로어레이 사시도이다.

도 2b는 도 2a의 마이크로어레이를 Ⅱb - Ⅱb' 선으로 절단한 단면도이다.

도 3a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 2차원의 광결정구조를 포함하는 마이크로어레이의 사시도이다.

도 3b는 도 3a의 마이크로어레이를 Ⅲb- Ⅲb' 선으로 절단한 단면도이다.

도 4a는 본 발명의 제4 실시예에 따른, 도 3a의 마이크로어레이의 최상위 광결정층에서만 공기와 제1 유전체로 형성된 3차원의 광결정구조를 포함하고, 그 외 광결정층은 제1 및 제2 유전체로 형성된 마이크로어레이의 사시도이다.

도 4b는 도 4a의 마이크로어레이를 Ⅳb- Ⅳb' 선으로 절단한 단면도이다.

도 5a는 본 발명의 제5 실시예에 따른 3차원의 광결정구조를 포함하는 마이크로어레이의 사시도이다.

도 5b는 도 5a의 마이크로어레이를 Ⅴa - Ⅴa' 선으로 절단한 단면도이다.

도 6a는 본 발명의 제6 실시예에 따른, 공기와 제1 유전체로 형성된 3차원의 광결정구조를 포함하는 마이크로어레이의 사시도이다.

도 6b는 도 6a의 마이크로어레이를 Ⅵb - Ⅵb' 선으로 절단한 단면도이다.

도 7a 내지 7e는 본 발명의 제1 실시예에 따른 1차원의 광결정구조를 포함하는 마이크로어레이의 제조과정을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들이다.

도 8a 내지 8e는 본 발명의 제3 실시예에 따른 2차원의 광결정구조를 포함하는 마이크로어레이의 제조과정을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들이다.

도 9a 내지 9d는 본 발명의 제5 실시예에 따른 3차원의 광결정구조를 포함하는 마이크로어레이의 제조과정을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들이다.

도 10a 내지 10e는 웨이퍼 열압착에 의한 본 발명의 제5 실시예에 따른 3차원의 광결정구조를 포함하는 마이크로어레이의 제조과정을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들이다.

도 11a 내지 11e는 웨이퍼 열압착에 의한 본 발명의 제6 실시예에 따른 3차원의 광결정구조를 포함하는 마이크로어레이의 제조방법을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들이다.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

200: 기판 210: 제2 기판

300: 제1 유전체 305: 제2 유전체

307: 포토레지스트 패턴

310, 320, 330, 340, 350, 360: 광결정구조

331, 332, 333, 334, 335: 광결정층

341, 342, 343, 344, 345: 광결정층

351, 352, 353, 354, 355: 광결정층

361, 362, 363, 364, 365 : 광결정층

400: 프로브 430: 표적물질

450: 형광물질

본 발명은 마이크로어레이 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프로브와 표적 물질의 혼성화 반응에 의한 혼성화 시그널의 검출 감도를 높일 수 있는 광결정구조를 가진 마이크로어레이 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래의 마이크로어레이에 있어서는, 대부분 표적 DNA에 형광물질을 표지하고, 이를 마이크로어레이 위의 DNA 프로브와 혼성화 반응시킨 후, 공촛점 현미경(confocal microscope)이나 CCD 카메라를 사용하여 마이크로어레이 표면에 남은 형광물질로부터 발산되는 시그널을 검출하게 된다.

이러한 광학적 검출방법에 있어서 공촛점 현미경을 사용하는 경우 해상도는 우수하나 검출 시간이 비교적 많이 소요되는 반면에, CCD 카메라를 사용하는 경우 검출 속도는 빠르지만 다소 해상도가 떨어진다. 따라서 혼성화 시그널의 검출시, 비교적 값이 비싼 공촛점 유형의 스캐너를 사용하기보다는 비교적 저렴하고 검출 속도가 빠른 CCD 유형의 스캐너로도 검출이 가능하도록 하기 위하여, 표적 DNA에 부착된 형광물질의 양을 증가시키려는 다양한 연구가 진행 중이다. 상기한 광학적 검출 방법에 있어서는 작은 양의 혼성화 시그널을 검출하기가 어려우며 스폿 주변에서 발생되는 배경 시그널에 의한 노이즈(signal to noise, SNR)로 인하여 혼성화 시그널을 정확하게 검출하는데도 어려움이 있다. 바이오틴 스트렙타비딘(biotin-streptavidin)을 이용한 시그널 증폭(signal amplification)이 대표적인 예라고 할 수 있다. 이는 형광표지의 개수를 증가시킴으로써 전반적인 형광의 세기는 증가시킬 수 있으나 화학적 반응과정에서의 노이즈가 증가될 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 마이크로어레이에서 프로브와 표적물질의 혼성화의 결과를 형광분석 함에 있어서 추가적인 시그널 증폭 과정을 제거할 수 있도록 하는 광결정구조를 포함하는 마이크로어레이를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 이러한 광결정구조를 포함하는 마이크로어레이를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로어레이는 기판, 기판 상에 형성된 광결정구조, 및 광결정구조 상에 고정된 프로브를 포함하되, 광결정구조는 프로브와 혼성화되는 표적물질에 부착된 형광물질로부터 방출되는 빛의 파장을 증폭시킨다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로어레이의 제조방법은 기판을 제공하고, 기판 상에 프로브와 혼성화되는 표적 물질에 부착된 형광물질로부터 방출되는 빛의 파장을 증폭시키는 광결정구조를 형성하고, 광결정구조 상에 프로브를 고정하는 것을 포함한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 일 실시예를 첨부 도면을 참조하면서 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 1차원의 광결정구조를 포함하는 마이 크로어레이의 사시도이다. 도 1b는 도 1a의 마이크로어레이를 Ⅰb -Ⅰb' 선으로 절단한 단면도이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로어레이(110)는 기판(200)과, 기판(200) 상에 형성되어 프로브(400)와 혼성화되는 표적물질(430)에 부착된 형광물질(450)로부터 방출되는 빛의 파장을 증폭시키는 광결정구조(310)와, 광결정구조(310) 상에 고정된 프로브(400)를 포함한다.

여기서 기판(200)은 그 표면에 형성된 광결정구조(310)를 지지한다. 기판(200)은 실리콘 웨이퍼, 중합체, 금속, 세라믹 등의 임의의 물질로 무기, 유기, 복합체 또는 중합체일 수 있다. 기판(200)은 유리, 실리콘 웨이퍼, 융합 실리카, 금, 은, 구리, 플라티넘, 폴리스티렌, 폴리메틸아크릴레이트 및 폴리카르보네이트로 구성되는 군으로부터 선택되나 이들 예에 한정되는 것은 아니다.

광결정구조(310)는 굴절률 또는 유전율이 서로 다른 두 가지 이상의 물질이 규칙적으로 배열되어 특정 주파수 또는 파장을 갖는 전자기파가 광결정구조(310) 내부로 전파하는 것을 막는 광밴드갭(photonic bandgap)을 형성할 수 있는 구조를 말한다. 본 발명은 스트라이프 형태의 격자구조로 형성된 광결정구조(310)에 대하여 언급하고 있으나, 이에 한정되지 않고 원형, 타원형, 쐐기형 등의 다양한 형태의 광결정구조가 적용될 수 있다.

광결정구조(310)에서 광의 전달이 이루어지는 원리는 브래그(Bragg)에 의해 밝혀진 주기적인 원자배열에 의해 X선이 산란되는 방식과 유사하다(브래그 조건은 sinθ=λ/2 θ는 입사각, λ는 파장, d는 원자간 거리). 즉 빛이 광결정구조(310) 를 만나게 되면 소정 파장의 영역의 광은 제1 유전체(300)의 표면에서 반사하고, 나머지 파장 영역대의 광은 광결정구조(310) 내의 제2 유전체(305)를 투과하여 지나가게 된다. 이때 광결정구조(310)를 투과하지 못하고 반사되어 나오는 빛의 파장 영역을 광밴드갭이라 한다. 일반적으로 광결정구조(310)는 제1 유전체(300)와 제2 유전체(305)의 굴절률의 차이가 클수록 넓은 광밴드갭을 가진다. 다시 말해, 제어할 수 있는 빛의 영역이 넓어진다.

광결정구조는 1차원, 2차원, 3차원 구조로 나뉠 수 있다. 이의 구별 기준은 주기성을 가질 방향의 수에 따른다. 따라서 1차원(one-dimensional)의 광결정구조(310)란 도 1a 및 1b에서와 같이 하나의 방향으로 주기성을 가진 구조를 말한다.

본 발명의 제1 실시예에서의 1차원 광결정구조(310)는 기판(200) 상에 제1 유전체(300)와 제2 유전체(305)로 형성된 광결정층으로 이루어져 있다. 광결정층이란 스트라이프 타입의 제 1 유전체(300)와 제 2 유전체(305)가 제1 방향으로 상호 교대 배열되어 이루어진 층으로 이루어진다. 1차원의 광결정구조는 하나의 광결정층으로 이루어진다. 광결정층을 구성하는 제1 유전체(300) 및 제2 유전체(305)의 폭은 실질적으로 각각 형광물질(450)로부터 방출되는 빛의 파장의 1/4이다.

제1 유전체(300)와 제2 유전체(305)는 서로 다른 굴절률을 가진 유전체로 이루어져 있다. 제1 유전체(300)와 제2 유전체(305)는 예를 들어 무기물 또는 유기 고분자로 구성될 수 있다. 여기서 무기물은 실리콘, 폴리실리콘(polysilicon), 금속, 실리콘 산화물(silicon oxide), 실리콘 질화물(silicon nitride)등을 포함하고, 유기 고분자는 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethy methacrylate), 폴리스티 렌(polystryrene), 폴리디메칠실록산(polydimethyl siloxane) 등을 포함한다.

표적물질(430)은 마이크로어레이(110)를 사용하여 분석하고자 하는 생체시료를 말한다. 표적물질(430)은 cDNA, mRNA, 올리고핵산(oligonucleotide), 단백질 등이 될 수 있으나 이에 한정하지 않는다.

형광물질(450)은 표적물질(430)에 부착되어, 표적물질(430)과 프로브(400) 의 혼성화 반응 이후 광학적 검출방법에 사용된다. 형광물질(450)은 로다민200(Rhodamine200), 칼슘 그린(Calcium Green), 시아닌2(Cyanine2), 시아닌3(Cyanine3), 시아닌5(Cyanine5,), 마그네슘 그린(Magnesium Green), 테트라메틸로다민(Tetrametylrhodamine), 플루오레센(Fluorescein) 등에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 표적물질(430)과 프로브(400)의 결합반응 유무를 확인하기 위하여 시아닌3 또는 시아닌5 등의 형광물질(450)을 이용할 수 있다.

표적물질(430)의 형광물질(450)로 시아닌3를 사용하는 경우 빛을 받아 방출하는 파장은 570nm이므로 제1 유전체(300)와 제2 유전체(305)가 이루는 광결정구조(310)의 주기(d)는 285nm가 된다.

프로브(400)는 마이크로어레이(110)의 종류에 따라 cDNA, 올리고뉴클레오티드, 펩타이드 또는 단백질 등과 같은 임의의 생체물질도 될 수 있다. 즉 광결정구조(310) 상의 예정된 영역에 고정화되는 프로브(400)는 특정하게 제한되지 않는다. 예를 들어 표적물질(430)은 5개 이상 30개 이하의 모노머로 이루어진 올리고 핵산이 사용될 수 있다.

프로브(400)를 고정하는 활성화 영역은 아민기 또는 알데하이드기 등의 작용 기가 있다면 광결정구조(310) 상 어느 곳이나 예정 가능하다. 예를 들어, 도 1a에서와 같이, 프로브(400)는 제1 유전체(300)의 상면(A)을 활성화 영역으로 하여 고정될 수 있다. 다만, 프로브(400)를 고정하는 활성화 영역이 도 1a에서 도시한 바와 같은 영역, 즉 제1 유전체(300)의 상면(A)에 제한되지 않는다.

이러한 마이크로어레이(110) 위에 분석하고자 하는 표적물질(430)을 결합 반응시켰을 때, 프로브(400)와 표적물질(430) 혼성화된다. 마이크로어레이(110) 상의 어느 위치에서 어느 정도의 혼성화가 이루어졌는지를 검출하면, 표적 물질을 분석할 수 있다. 혼성화 정도의 검출은, 주로 형광물질(450)로 표지된 표적물질(430)를 프로브(400)와 혼성화 반응시킨 뒤 형광물질(450)로부터 발산되는 시그널을 검출하는 광학적 방법에 의해 이루어진다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, CCD 등에 의해 형광물질(450)로부터 방출되는 빛의 파장을 검출할 때 바이오틴 스트렙타비딘(biotin-streptavidin)을 이용한 시그널 증폭(signal amplification)이 필요 없다. 광결정구조(310)를 이용함으로써 배경 시그널의 노이즈를 감소시킬 수 있다.

이하 도 2a와 도 2b를 참조하여 본 발명의 제2 실시예를 설명한다.

도 2a는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 공기와 제1 유전체로 형성된 3차원의 광결정구조를 포함하는 마이크로어레이 사시도이다. 도 2b는 도 2a의 마이크로어레이를 Ⅱb - Ⅱb' 선으로 절단한 단면도이다. 설명의 편의상, 상기 제1 실시예의 도면에 나타낸 각 부재와 동일 기능을 갖는 부재는 동일 부호로 나타내고, 따라서 그 설명은 생략한다. 본 실시예의 1차원의 광결정구조(320)를 가지는 마이크로어레이(120)는, 도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이, 제1 실시예의 마이크로어레 이(110)와 다음을 제외하고는 기본적으로 동일한 구조를 갖는다.

본 발명의 광결정구조(320)를 구성하는 두 유전체 중 어느 하나는 기체로 이루어질 수 있다. 즉, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 공기와 제1 유전체(300)으로 이루어진 광결정구조(320)를 형성할 수 있다. 또한 프로브(400)가 고정되는 활성화 영역이 광결정구조(320)의 상면(A)뿐 아니라, 광결정구조(320)에 의해 노출된 기판(200)의 상면(B)에도 형성될 수 있다. 그 결과 프로브(400)가 좀 더 고밀도로 고정화 될 수 있다.

이하, 도 3a와 도 3b를 참조하여 본 발명의 제3 실시예를 설명한다. 도 3a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 2차원(two-dimensional)의 광결정구조를 포함하는 마이크로어레이의 사시도이다. 도 3b는 도 3a의 마이크로어레이를 Ⅲb- Ⅲb' 선으로 절단한 단면도이다. 설명의 편의상, 상기 제1 실시예의 도면에 나타낸 각 부재와 동일 기능을 갖는 부재는 동일 부호로 나타내고, 따라서 그 설명은 생략한다. 본 실시예의 2차원의 광결정구조(330)를 가지는 마이크로어레이(130)는, 도 3a 및 도 3b에 나타낸 바와 같이, 제1 실시예의 마이크로어레이(110)와 다음을 제외하고는 기본적으로 동일한 구조를 갖는다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 마이크로어레이(130)의 광결정구조(330)는 광결정층(331,332,333,334,335)이 다층으로 적층된 구조이다. 광결정층(331,332,333,334, 335)이란 도 1a에서와 같이, 제1 유전체(300)와 제2 유전체(305)가 상호 교대로 배열되어 형성된 1차원 광결정구조의 층을 말한다. 도 1a에서는 5층의 광결정층들(331,332,333,334,335)을 도시하고 있으나, 이에 제한되지 않는다. 2차원 광결정구조(330)를 형성하는 각 광결정층(331,332,333,334,335)의 제1 유전체(300)와 제2 유전체(305)는 하나의 방향으로 평행하면서 서로 엇갈려 배열된다. 각 유전체의 폭과 형상은 1차원의 광결정구조(110)와 동일하다. 2차원의 광결정구조(330)을 가진 마이크로어레이(130)는 1차원 광결정구조(310)를 가진 마이크로어레이(110)에 비하여 형광물질(450)에서 방출되는 빛의 파장의 광학적 검출에 있어서, 좀 더 정확한 시그널을 얻을 수 있다.

이하, 도 4a와 도 4b를 참조하여 본 발명의 제4 실시예를 설명한다. 도 4a는 본 발명의 제4 실시예에 따른, 도 3a의 마이크로어레이의 최상위 광결정층에서만 공기와 제1 유전체로 형성된 3차원의 광결정구조를 포함하고, 그 외 광결정층은 제1 및 제2 유전체로 형성된 마이크로어레이의 사시도이다.

도 4b는 도 4a의 마이크로어레이를 Ⅳb- Ⅳb' 선으로 절단한 단면도이다. 설명의 편의상, 상기 제3 실시예의 도면에 나타낸 각 부재와 동일 기능을 갖는 부재는 동일 부호로 나타내고, 따라서 그 설명은 생략한다. 본 실시예의 2차원의 광결정구조(340)를 가지는 마이크로어레이(140)는, 도 4a 및 도 4b에 나타낸 바와 같이, 제3 실시예의 마이크로어레이(130)와 다음을 제외하고는 기본적으로 동일한 구조를 갖는다.

즉 본 발명의 제4 실시예에 따른 마이크로어레이(140)에 있어서, 프로브(400)는 최상위 광결정층(345)의 상면(A)과 그 아래 광결정층(344)의 상면(A') 상에 고정될 수 있다. 그 결과 고정화되는 프로브(400)의 밀도를 높일 수 있다. 다만 광결정구조(400)로 인한 형광물질(450)로부터 방출되는 빛의 파장만을 증폭시키 는 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 최상위 광결정층(345)에서 제거되는 제2 유전체(305)는 공기와 유전율이 비슷해야 한다.

이하, 도 5a와 도 5b를 참조하여 본 발명의 제5 실시예에 의한 마이크로어레이를 설명한다. 도 5a는 본 발명의 제5 실시예에 따른 3차원(three-dimensional)의 광결정구조를 포함하는 마이크로어레이(200)의 사시도이다. 도 5b는 도 5a의 마이크로어레이를 Ⅴa- Ⅴa' 선으로 절단한 단면도이다. 설명의 편의상, 상기 제1 실시예의 도면에 나타낸 각 부재와 동일 기능을 갖는 부재는 동일 부호로 나타내고, 따라서 그 설명은 생략한다. 본 실시예의 3차원의 광결정구조(350)를 가지는 마이크로어레이(150)는, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 제1 실시예의 마이크로어레이(110) 및 제2 실시예의 마이크로어레이(120)와 다음을 제외하고는 기본적으로 동일한 구조를 갖는다.

본 발명의 제5 실시예에 따른 마이크로어레이(150)의 광결정구조(350)는 광결정층(351,352,353,354,355)이 다층으로 적층된 구조이다. 각 광결정층(351,352,353,354,355)의 각 유전체(300,305)는 서로 수직하도록 배열되고, n번째 광결정층과 n+2 번째 광결정층의 동일 유전체는 서로 엇갈려 배열되어 3차원의 광결정구조(350)가 된다. 이러한 3차원의 광결정구조(350)는 1차원의 광결정구조 또는 2차원의 광결정구조에 비해 광학적 형광분석에 있어서 시그널의 분석이 좀더 정교해질 수 있다.

이하 도 6a와 도 6b를 참조하여 본 발명의 제6 실시예를 설명한다. 도 6a는 본 발명의 제6 실시예에 따른, 공기와 제1 유전체로 형성된 3차원의 광결정구조를 포함하는 마이크로어레이의 사시도이다. 도 6b는 도 6a의 마이크로어레이를 Ⅵb - Ⅵb' 선으로 절단한 단면도이다. 설명의 편의상, 상기 제5 실시예의 도면에 나타낸 각 부재와 동일 기능을 갖는 부재는 동일 부호로 나타내고, 따라서 그 설명은 생략한다. 본 실시예의 3차원의 광결정구조(360)를 가지는 마이크로어레이(160)는, 도 6a 및 도 6b에 나타낸 바와 같이, 제5 실시예의 마이크로어레이(150)와 다음을 제외하고는 기본적으로 동일한 구조를 갖는다.

즉, 제6 실시예에서는 공기에 노출되어 있는 제1 유전체(300)의 최상위 광결정층(365)의 상면(A), 공기에 노출되어 있는 광결정층(364)의 상면(A'), 광결정층(363)의 상면(A'')에도 프로브(400)가 고정될 수 있다. 그 결과 프로브(400)의 밀도를 높일 수 있다.

이상 도 1a 내지 도 6b를 통하여 본 발명의 실시예들에 의해 형광분석 함에 있어서 추가적인 시그널 증폭 과정을 제거할 수 있도록 하는 광결정구조를 포함하는 마이크로어레이를 설명하였다. 이하에서는 도 7a 내지 도 11e를 통하여 상기 각 실시예의 제조 방법에 대하여 설명한다.

이하 도 1a 및 도 1b 그리고 도 7a 내지 7f를 이용하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로어레이(110)의 제조 과정을 설명한다. 여기서 도 7a 내지 7f는 도 1a 및 도 1b에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로어레이(110)의 제조과정을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들이다. 도 7a 내지 도 7f에 도시된 부재 중 도 1a 및 도 1b에서 설명한 부재와 동일 기능을 갖는 부재는 동일 부호로 나타내고 공통되는 설명은 생략한다.

광결정구조(110)는 반도체 공정에서 잘 발달되어 정립된 식각 공정을 이용하여 형성할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

도 7a에 도시한 바와 같이, 실리콘 웨이퍼 등으로 이루어진 기판(200)을 제공한다. 이러한 기판(200) 상에 제1 유전체(300)를 형성한다. 제1 유전체(300) 상에 포토레지스트를 형성한 후 패터닝하여 포토레지스트 패턴(307)을 형성한다.

도 7b에 도시된 바와 같이 포토레지스트 패턴(307)을 식각 마스크로 하여 제1 유전체(300)를 식각한다. 제1 유전체(300)를 식각하는 방법으로는 건식 식각 또는 습식 식각을 모두 사용할 수 있으며, 바람직하게는 정밀한 패턴을 형성하기 위해 이방성 식각인 건식 식각을 사용할 수 있다. 광결정층을 형성하는 제1 유전체(300)와 제2 유전체(305)의 폭은 각각 형광물질(450)로부터 방출되는 빛의 파장(λ)의 1/4이 될 수 있도록, 다시 말해 광결정구조(310)의 주기(d)가 실질적으로 형광물질(450)로부터 방출되는 빛의 파장(λ)의 1/2이 되는 것이 바람직하다.

다음으로 도 7c에 도시된 바와 같이, 제1 유전체(300) 상에 잔존하는 포토레지스트 패턴(307)을 제거한다.

도 7d에서와 같이 제2 유전체(305)를 포토레지스트 패턴(307) 사이의 갭에 형성한다.

도 7e에서 보듯이, 제1 유전체(300) 위에 형성된 제2 유전체(305)를 화학적 기계 연마(Chemical Mechanical Polishing, 이하 CMP라 한다)공정에 의하여 평탄화함으로써 굴절률이 다른 두 개의 유전체가 1차원적으로 교대 배열된 광결정구조(310)의 마이크로어레이(110)를 제조한다.

이어서 도 1b에 도시된 바와 같이, 형성된 1차원의 광결정구조 상의 예정된 영역에 프로브(400)를 고정하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로어레이(110)를 제조한다. 프로브(400)를 광결정구조(310)의 상면이든 기판(200)의 상면 등에 고정하는 기술은 예를 들면 정전기적 힘을 이용하거나, 합성된 올리고상에 아민기를 붙여 알데하이드 코팅된 슬라이드에 붙여 이 둘간의 결합을 유도하는 등의 방법으로 이루어질 수 있다. 광결정구조(310)의 상면(A)에 프로브(400)를 고정, 배열하는 것은 핀 마이크로어레이(Pin microarray), 전기적 어레이(Electronic Array) 잉크젯(Inkjet), 광리소그래피(photolithograpy) 등의 방법을 사용할 수 있다.

프로브(400)는 예를 들어, 단일 가닥 DNA 등은 공유 결합 또는 비공유 결합을 통해 표면에 고정화 될 수 있는 한 특정한 제한이 없다. 프로브가 고정되는 활성화영역은 그 표면이 하이드록실 그룹, 아미노 그룹, 티올 그룹, 알데히드 그룹, 카복실 그룹, 아실 그룹 등의 작용기를 가질 수 있다. 이러한 작용기는 표면 성질로서 존재하거나 표면 처리에 의해 활성화영역에 형성될 수 있다.

예를 들어, 프로브로 올리고핵산을 사용하는 마이크로어레이를 광리소그래피를 이용하여 형성하는 방법을 설명한다. 프로브가 합성되는 광결정구조(310)의 상면이나 기판(200)의 상면은 각각의 염기들이 합성할 수 있게 보조체(미도시)가 붙어 있다. 이들 보조체는 평소에 빛에 민감한 화학 물질로 덮여 있어 염기들을 합성할 수 없으나, 포토마스크를 놓고 빛을 쏘이면 빛을 받은 보조체의 화학물질들이 제거되어 활성화되면서 염기가 결합할 수 있다. 이 때 주입되는 각각의 염기들도 빛에 민감한 보조체를 부착한 경우, 광리소그래프를 단계적으로 거치면서 염기를 하나씩 합성할 수 있다. 이러한 과정을 반복하여 광결정구조(310)의 상면이나 기판(200)의 상면에 고정화되는 핵산을 하나씩 연장시겨 올리고핵산을 프로브(400)로 한 경우의 마이크로어레이(110)를 형성할 수 있다.

광리소그라피 방법 이외에도 스팟팅(spotting)법 등을 사용할 수 있으며, 이들 방법에 제한되지 않는다. 마이크로어레이(110)는 이미 합성된 올리고핵산을 특정 위치에 고정화시킴으로써 형성된다.

이하 도 3a 및 도 3b, 도 7a 내지 7e 그리고 도 8a 내지 8e를 이용하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 마이크로어레이(130)의 제조 과정을 설명한다. 여기서 도 8a 내지 8e는 도 3a 및 도 3b에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 따른 마이크로어레이의 제조과정을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들이다. 도 8a 내지 도 8f에 도시된 부재 중 도 3a 및 도 3b에서 설명한 부재와 동일 기능을 갖는 부재는 동일 부호로 나타내고 공통되는 설명은 생략한다.

우선, 도 7a 내지 7f에 나타난 제조 방법을 거쳐서 도 8a에서 도시한 바와 같은 1차원의 광결정층(331)을 형성한다.

도 8b와 같이, 형성된 1차원의 광결정층(331) 상에 제2 유전체(305)를 형성한 후 포토레지스트를 패터닝하여 포토레지스트 패턴(307)을 형성한다.

8c에서 도시한 바와 같이, 식각으로 제2 유전체(305)를 제거하고 포토레지스트 패턴(307)도 제거한다.

제1 유전체(300)로 패턴 사이의 갭을 채우고 CMP공정에 의해 도 8d에서 도시한 바와 같은 광결정층(332)을 광결정층(331) 위에 형성할 수 있다 .

도 8e에서 도시한 바와 같이, 8a 내지 8c에서 설명한 과정을 반복하여, 반복한 과정만큼의 다수의 광결정층(331,332,333,334,335)이 적층된 광결정구조(330)를 형성한다. 각 광결정층(331,332,333,334,335)을 형성하는 제1 유전체(300)와 제2 유전체(305)의 폭은 각각 형광물질(450)로부터 방출되는 빛의 파장(λ)의 1/4이 될 수 있도록, 다시 말해 광결정구조(330)의 주기(d)가 실질적으로 형광물질(450)로부터 방출되는 빛의 파장(λ)의 1/2이 되는 것이 바람직하다.

도 8d는 5층으로 이루어진 2차원 광결정구조(330)를 도시하고 있으나, 이에 제한되지 않는다. 광결정구조(330)에 프로브(400)를 고정화하여 도 3a 및 3b에 도시한 제3 실시예에 따른 마이크로어레이(130)를 제조할 수 있다.

이하 도 5a 및 도 5b, 도 7a 내지 7b 그리고 도 9a 내지 9e를 이용하여 본 발명의 제5 실시예에 따른 마이크로어레이(150)의 제조 과정을 설명한다. 여기서 도 9a 내지 9e는 도 5a 및 도 5b에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 따른 마이크로어레이의 제조과정을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들이다. 도 9a 내지 도 9e에 도시된 부재 중 도 3a 및 도 3b에서 설명한 부재와 동일 기능을 갖는 부재는 동일 부호로 나타내고 공통되는 설명은 생략한다.

3차원 광결정구조(350)를 형성하기 위해, 예를 들면 광리소그라피와 이온 에칭 기술(ion ethching technique)에 기초한 적층방법(layer-by-layer)에 의한 제조방법을 이용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

도 9a에서 도시한 바와 같이, 도 7a 내지 도 7g에 나타난 제조 방법을 거쳐서 1차원의 광결정층(351)을 형성한다.

도 9b와 같이, 형성된 광결정층(351) 상에 제1 유전체(300)를 형성한 후 포토레지스트를 패터닝하여 포토레지스트 패턴(307)을 형성한다. 광결정층을 다층으로 적층한다는 점에서는 2차원 광결정구조(330, 340)와 동일하나, 2차원 광결정구조와 달리 n번째 광결정층과 n+1번째 광결정층은 서로 수직이다. 따라서 도 9b에서와 같이 제1 유전체(300)는 제1 광결정층(351)에 수직한 방향으로 패터닝된다.

도 9c에서와 같이, 제1 유전체(300)를 식각에 의해 제거한 뒤, 포토레지스트 패턴(307)도 제거한다. 제2 유전체(305)로 포토레지스트 패턴(307) 사이의 갭을 채우고 CMP에 의해 제2 광결정층(352)을 제1 광결정층(351) 상에 형성한다.

도 9d에서 도시한 바와 같이, 도 9a 내지 9c에서 설명한 과정을 반복하여 반복한 층수만큼의 다수의 광결정층(351,352,353,354,355)이 적층된 마이크로 어레이를 형성한다. 각 광결정층(351,352,353,354,355)을 형성하는 제1 유전체(300)와 제2 유전체(305)의 폭은 각각 형광물질(450)로부터 방출되는 빛의 파장(λ)의 1/4이 될 수 있도록, 다시 말해 광결정구조(350)의 주기(d)가 실질적으로 형광물질(450)로부터 방출되는 빛의 파장(λ)의 1/2이 되는 것이 바람직하다. 도 9d는 5층으로 이루어진 3차원 광결정구조(350)를 도시하고 있으나 이에 제한되지 않는다. 이 광결정구조(350) 상에 프로브(400)를 고정화하여 도 5a 및 도 5b에 도시한 바와 같은 마이크로어레이(150)를 제조할 수 있다. 각 광결정층(351,352,353,354,355)의 각 유전체(300,305)는 서로 수직하도록 배열되고, n번째 광결정층과 n+2 번째 광결정층의 동일 유전체는 서로 엇갈려 배열되어 있다.

이하 도 5a 및 도 5b, 도 7a 내지 도 7e 그리고 도 10a 내지 10e를 이용하여 본 발명의 제5 실시예에 따른 마이크로어레이(150)를 웨이퍼 열압착 방식에 의해 제조하는 과정을 설명한다.

도 10a 내지 10e는 웨이퍼 열압착에 의한 본 발명의 제5 실시예에 따른 3차원의 광결정구조를 포함하는 마이크로어레이의 제조과정을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들이다. 도 10a 내지 도 10e에 도시된 부재 중 도 3a 및 도 3b에서 설명한 부재와 동일 기능을 갖는 부재는 동일 부호로 나타내고 공통되는 설명은 생략한다.

도 10a에 도시된 바와 같이, 기판(200) 상에 도 7a 내지 7e 과정을 거쳐 제1 유전체(300)와 제2 유전체(305)를 상호 교대로 배열하여 제1 광결정층(351)을 형성한다.

도 10b에 도시된 바와 같이, 제2 기판(210) 상에 도 7a 내지 7e 과정을 거쳐 제1 유전체(300)와 제2 유전체(305)를 상호 교대로 배열하여 제2 광결정층(352)를 형성한다.

도 10c에 도시된 바와 같이, 10a에 도시된 기판(200) 상에 형성된 제1 광결정층(351)과 도 10b에 나타난 제2 기판(210) 상에 형성된 제2 광결정층(352)을 서로 수직이 되도록 배열한다. 적절한 온도로 가열하여, 제1 광결정층(351)과 제2 광결정층(352)이 그 접하는 면에서 융합(fusion)되도록 한다. 제1 및 제2 유전체의 종류에 따라 가열 온도는 달라진다.

도 10d에 도시된 바와 같이, 온도를 상온으로 서서히 냉각하여 제2 기판(210)을 제거한다. 도 10e에 도시한 바와 같이, 도 10a 내지 10c에서 설명한 과정을 반복하여 반복한 과정만큼의 다수의 광결정층(351,352,353,354,355)이 적층된 광결정구조(350)를 형성한다. 도 10e는 5층으로 이루어진 3차원 광결정구조(350)를 도시하고 있으나 이에 제한되지 않는다. 광결정구조(350)에 프로브(400)를 고정화하여 도 5a 및 5b에 도시한 제5 실시예에 따른 마이크로어레이(150)를 제조할 수 있다.

이하 도 6a와 도 6b , 도 10a 내지 10e 및 도 11a 내지 도 11e를 참조하여, 본 발명의 제6 실시예에 따른 3차원의 광결정구조를 포함하는 마이크로어레이(160)의 제조공정에 있어서 웨이퍼 열압착 방식에 의한 제조방법에 대하여 설명한다. 여기서 도 11a 내지 11e는 웨이퍼 열압착에 의한 본 발명의 제6 실시예에 따른 3차원의 광결정구조를 포함하는 마이크로어레이의 제조방법을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들이다. 도 11a 내지 도 11e에 도시된 부재 중 도 6a와 도 6b, 도 10a 내지 10e에서 설명한 부재와 동일 기능을 갖는 부재는 동일 부호로 나타내고 공통되는 설명은 생략한다.

도 11a에 도시된 바와 같이, 기판(200) 상에 제1 유전체(300)를 형성하여 제2 유전체로 공기를 이용한 제1 광결정층(361)을 형성한다. 도 11b에 도시된 바와 같이, 제2 기판(210) 상에 제 1유전체(300)를 형성하여 제2 유전체로 공기를 이용한 제2 광결정층(362)을 형성한다. 제1 유전체(300)의 폭과 제1 유전체의 간격은 실질적으로 각각 표적물질에 부착된 형광물질이 빛을 받아 방출하는 파장의 1/4이 바람직하다. 제1 유전체는 공기와 굴절율이 다른 물질로 이루어진다.

도 11c에 도시된 바와 같이, 11a에 도시된 기판(200) 상에 형성된 제1 광결정층(361)과 도 10b에 나타난 제2 기판(210) 상에 형성된 제2 광결정층(362)을 서 로 수직이 되도록 배열한다. 적절한 온도로 가열하여, 제1 광결정층(361)과 제2 광결정층(362)이 그 접하는 면에서 융합(fusion)되도록 한다. 제1 유전체의 종류에 따라 가열 온도는 달라진다.

도 11d에 도시된 바와 같이, 온도를 상온으로 서서히 냉각하여 제2 기판(210)을 제거한다. 도 11e에 도시한 바와 같이, 도 11b 내지 11c에서 설명한 과정을 반복하여 반복한 과정만큼의 다수의 광결정층(361,362,363,364,365)이 적층된 광결정구조(360)를 형성한다. 도 11e는 5층으로 이루어진 3차원 광결정구조(360)를 도시하고 있으나 이에 제한되지 않는다. 광결정구조(360)에 프로브(400)를 고정화하여 도 6a 및 6b에 도시한 제6 실시예에 따른 마이크로어레이(160)를 제조할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로어레이 및 이의 제조방법에 의하면, 프로브와 표적 물질의 혼성화의 결과를 형광분석 함에 있어서 추가적인 시그널 증폭 과정을 제거하여 혼성화 시그널의 검출 감도를 높일 수 있다.

Claims (9)

1. 기판;

   상기 기판 상에 형성된 광결정구조; 및

   상기 광결정구조 상에 고정된 프로브를 포함하되,

   상기 광결정구조는 상기 프로브와 혼성화되는 표적물질에 부착된 형광물질로부터 방출되는 빛의 파장을 증폭시키는 마이크로어레이.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 광결정구조는 제1 방향으로 연장된 스트라이프 타입으로 상호 교대 배열된 서로 다른 유전율을 갖는 제1 및 제2 유전체를 구비하되, 상기 제1 및 제2 유전체의 폭은 상기 형광물질로부터 방출되는 빛의 파장의 1/4인 광결정층을 포함하는 마이크로어레이.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 광결정구조는 상기 광결정층이 다층으로 적층된 구조이되, 상기 각 광결정층의 상기 유전체들이 평행하면서 서로 엇갈려 배열된 마이크로어레이.
4. 제2 항에 있어서,

   상기 광결정구조는 상기 광결정층이 다층으로 적층된 구조이되, 상기 각 광 결정층의 상기 각 유전체는 서로 수직하도록 배열되고, n번째 광결정층과 n+2 번째 광결정층의 동일 유전체는 서로 엇갈려 배열된 마이크로어레이.
5. 기판을 제공하고,

   상기 기판 상에 프로브와 혼성화되는 표적 물질에 부착된 형광물질로부터 방출되는 빛의 파장을 증폭시키는 광결정구조를 형성하고,

   상기 광결정구조 상에 상기 프로브를 고정하는 것을 포함하는 마이크로어레이 제조방법.
6. 제5 항에 있어서,

   상기 광결정구조를 형성하는 것은

   제1 방향으로 연장된 스트라이프 타입으로 상호 교대 배열된 서로 다른 유전율을 갖는 제1 및 제2 유전체를 형성하되, 상기 제1 및 상기 제2 유전체의 폭은 상기 형광물질로부터 방출되는 빛의 파장의 1/4인 광결정층을 형성하는 것을 포함하는 마이크로어레이의 제조방법.
7. 제6 항에 있어서,

   상기 광결정구조를 형성하는 것은

   상기 광결정층을 다층으로 적층하되, 상기 각 광결정층의 상기 각 유전체들이 평행하면서 서로 엇갈려 배열되도록 형성하는 마이크로어레이의 제조방법.
8. 제6 항에 있어서,

   상기 광결정구조를 형성하는 것은

   상기 광결정층을 다층으로 적층하되, 상기 각 광결정층의 상기 각 유전체는 서로 수직하도록 배열되고, n번째 광결정층과 n+2 번째 광결정층의 동일 유전체는 서로 엇갈려 배열되도록 형성하는 마이크로어레이의 제조방법.
9. 제8 항에 있어서,

   상기 광결정구조를 형성하는 것은 웨이퍼 열압착에 의해 수행하는 마이크로어레이의 제조방법.

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