KR20080015339A - 가장자리 측벽이 비활성화된 프로브 셀 액티브를 포함하는올리고머 프로브 어레이 및 그 제조 방법 - Google Patents

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하정환
김경선
최상준
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Abstract

가장자리 측벽이 비활성화된 프로브 셀 액티브를 포함하는 올리고머 프로브 어레이가 제공된다. 올리고머 프로브 어레이는 기판, 기판 상에 형성된 다수의 프로브 셀 액티브로 각 프로브 셀 액티브는 가장자리 측벽을 제외한 영역에 링커가 커플링되어 가장자리 측벽이 비활성화된 다수의 프로브 셀 액티브, 다수의 프로브 셀 액티브를 분리하는 프로브 셀 분리 영역으로 표면이 상기 올리고머 프로브와 커플링되는 작용기를 포함하지 않는 프로브 셀 분리 영역, 및 상기 프로브 셀 액티브의 링커에 커플링된 다수의 올리고머 프로브를 포함한다.
올리고머, 프로브, 액티브, 링커, 메니스커스형 가장자리 측벽

Description

가장자리 측벽이 비활성화된 프로브 셀 액티브를 포함하는 올리고머 프로브 어레이 및 그 제조 방법{Oligomer probe array having probe cell active with inactivated edge wall and fabrication method thereof}
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 올리고머 프로브 어레이의 프로브 셀 액티브 레이아웃들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가장자리 측벽이 비활성화된 프로브 셀 액티브를 포함하는 올리고머 프로브 어레이의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 올리고머 프로브 어레이의 프로브 셀 액티브 레이아웃들이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가장자리 측벽이 비활성화된 프로브 셀 액티브를 포함하는 올리고머 프로브 어레이의 단면도이다.
도 5a 내지 도 5i는 도 2에 예시되어 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 중간 단계 구조물들의 단면도들이다.
도 6은 포토레지스트 격벽 유무에 따라 링커의 가장자리 측벽의 형상이 달라지는 메커니즘을 설명하기 위한 개략도이다.
도 7a 내지 도 7d는 도 4에 예시되어 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 올 리고머 프로브 어레이의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 중간 단계 구조물들의 단면도들이다.
도 8a 및 도 8b는 도 4에 예시되어 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 올리고머 프로브 어레이의 다른 제조 방법을 설명하기 위한 공정 중간 단계 구조물들의 단면도들이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 실험예에 따라 제조된 올리고머 프로브 어레이의 콘트라스트 측정 결과, SEM(Scanning Electron Microscope) 단면 및 SEM 상면도이다.
도 10a 내지 도 10c는 비교예에 따라 제조된 올리고머 프로브 어레이의 콘트라스트 측정 결과, SEM 단면 및 SEM 상면도이다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
100: 기판 120, 220: 프로브 셀 액티브
120a, 220a: 프로브 셀 액티브의 상면
120b, 220b: 프로브 셀 액티브의 비활성화된 측벽
130: 프로브 셀 분리 영역 135: 격벽
142: 제1 링커 143: 제2 링커
155: 비활성 캡핑기 160: 올리고머 프로브
본 발명은 올리고머 프로브 어레이에 관한 것으로, 특히 잡음률(Signal to Noise Ratio, 이하 SNR)이 향상된 올리고머 프로브 어레이 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
올리고머 프로브 어레이는 유전자 발현 분석(expression profiling), 유전자형 분석(genotyping), SNP와 같은 돌연 변이(mutation) 및 다형(polymorphism)의 검출, 단백질 및 펩티드 분석, 잠재적인 약의 스크리닝, 신약 개발과 제조 등에 널리 사용되는 도구이다.
현재 널리 사용되는 올리고머 프로브 어레이는 광(예., UV) 조사를 통해 기판 상의 특정 영역을 광활성화시킨 후 광활성 영역 상에 올리고머 프로브를 인-시츄(in-situ) 합성하여 다수의 프로브 셀 어레이를 형성한다.
그런데, 인-시츄 합성을 위하여 수회에 걸쳐 반복 실시되는 포토리소그래피 공정 동안 마스크가 미스얼라인되어 활성화되어서는 안될 비활성화 영역 일부가 원치않게 활성화될 수 있다. 따라서, 비활성화 영역에도 올리고머 부산물이 형성될 수 있다. 그 결과 타겟 샘플과의 혼성화 데이터 분석시 SNR이 낮아서 정확한 데이터 분석에 장애가 된다.
나아가, 올리고머 프로브 어레이를 사용하여 분석하고자 하는 유전 정보의 형태가 유전자에서 DNA의 최소 구성 단위인 뉴클레오타이드 수준까지 다양화됨에 따라 프로브 셀의 디자인 룰이 수십 ㎛ 에서 수 ㎛ 이하로 감소함에 따라 SNR이 데이터 분석의 정확도에 미치는 악영향이 더 커지고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 SNR이 향상된 올리고머 프로브 어레이를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 SNR이 향상된 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 올리고머 프로브 어레이는 올리고머 프로브와 커플링되는 작용기를 포함하지 않으며 다수의 프로브 셀 액티브를 물리적으로 분리하는 프로브 셀 분리 영역과 가장자리 측벽을 제외한 영역에 링커가 커플링되어 물리 화학적으로 분리된 프로브 셀 액티브를 포함한다. 따라서, 프로브 셀 액티브의 가장자리 측벽은 비활성화된다. 올리고머 프로브는 링커에 커플링된다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법은 기판 상에 프로브 셀 분리 영역에 의해 물리적으로 분리되는 3차원 입체 구조의 프로브 셀 액티브를 형성하고, 물리적으로 분리된 프로브 셀 액티브에 화학적 분리 특성을 더 부여하기 위하여 프로브 셀 액티브 상에 선택적으로 링커를 커플링시킬 때 격벽을 형성한 후 링커를 커플링시키고 격벽을 제거함으로써 링커 용액의 메니스커스에 기인하여 원치않는 메니스커스형 가장자리 측벽이 형성되는 것을 방지하고 가장자리 측벽이 비활성화된 프로브 셀 액티브를 제공한다.
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.
따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 및/또는 동작 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다. 그리고, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또, 이하 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단 면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 또한 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 올리고머 프로브 어레이의 프로브 셀 액티브의 레이아웃이다.
도 1a를 참고하면, 다수의 프로브 셀 액티브 패턴(1)이 행 방향 및 열 방향으로 매트릭스 형태로 배열된다. 구체적으로, X축 방향과 Y축 방향을 따라 각각 제1 피치(Px) 및 제2 피치(Py)로 배열된다. 도 1a에서는 제1 피치(Px)와 제2 피치(Py)가 동일하게 도시되어 있으나, 레이아웃의 필요에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.
도 1b를 참고하면, 다수의 프로브 셀 액티브(1)가 소정 피치(Px)로 이격 배열되어 있는 홀수행과 행 방향으로 쉬프트되어 홀수행의 프로브 셀 액티브(103)와 일부만이 오버랩되도록 소정 피치(Px)로 배열된 다수의 프로브 셀 액티브(103)로 구성된 짝수행이 서로 교대로 배열되어 대칭적인 배열을 이룰 수 있다.
도 2는 도 1a 또는 도 1b의 레이아웃을 사용하여 제조된 프로브 셀 액티브를 포함하는 올리고머 프로브 어레이의 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 올리고머 프로브 어레이는 기판(100) 상에 패터닝되어 형성되어 물리적으로 분리된 3차원 입체 구조의 프로브 셀 액티브(120)를 포함한다. 나아가, 물리적으로 분리된 3차원 입체 구조의 프로브 셀 액티브(120)의 가장자리 측벽(120b)을 제외한 상면(120a)에 링커(142)가 커플링되어 물리적으로 분리되어 있는 프로브 셀 액티브(120)간에 화학적 분리를 추가한다.
따라서, 프로브 셀 액티브(120)를 물리적으로 분리하는 프로브 셀 분리 영역(130)이 올리고머 프로브(160)와 커플링되는 작용기를 포함하지 않을 뿐만 아니라 프로브 셀 액티브(120)의 가장자리 측벽(120b) 또한 올리고머 프로브(160)와의 커플링이 일어나지 않는 비활성화된 상태로 존재하게 된다. 프로브 셀 액티브(120)의 가장자리 측벽(120b)에는 비활성 캡핑기(155)가 결합하여 가장자리 측벽(120b)의 비활성화가 보다 완전해지도록 할 수 있다. 프로브 셀 액티브(120)의 가장자리 측벽(120b)이 비활성화되면 측벽(120b)에 올리고머 프로브(160)가 커플링되지 않는다. 따라서, 프로브 셀 액티브(120)들 사이의 간격이 감소하더라도 인접하는 프로브 셀간의 크로스토크를 효과적으로 방지할 수 있다.
기판(100)은 혼성화(hybridization) 과정 동안 원하지 않는 비특이적 결합을 최소화 나아가 실질적으로 0으로 할 수 있는 물질로 이루어질 수 있다. 나아가, 기판(100)은 가시광 및/또는 UV 등에 투명한 물질로 이루어질 수 있다. 기판(100)은 가요성(flexible) 또는 강성(rigid) 기판일 수 있다. 가요성 기판은 나일론, 니트로셀룰로오스 등의 멤브레인 또는 플라스틱 필름 등일 수 있다. 강성 기판은 실리콘 기판, 석영 기판, 소다 석회 유리와 같은 유리 기판, 포어 크기가 조절된 유리 기판 등일 수 있다. 실리콘 기판, 석영 기판 또는 유리 기판의 경우에는 혼성화 과 정 동안 비특이적 결합이 거의 일어나지 않는 장점이 있다. 또, 유리 기판의 경우에는 가시광 및/또는 UV 등에 투명해서 형광 물질의 검출에 유리하다. 실리콘 기판 또는 유리 기판은 반도체 소자의 제조 공정 또는 LCD 패널의 제조 공정에서 이미 안정적으로 확립되어 적용되는 다양한 박막의 제조 공정 및 사진 식각 공정 등을 그대로 적용할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 프로브 셀 분리 영역(130)은 노출된 실리콘 기판 표면 또는 노출된 유리 기판 표면인 것이 제조 공정의 관점에서 적합할 수 있다.
프로브 셀 액티브(120)는 혼성화 분석 조건, 예컨대 pH6-9의 인산(phosphate) 또는 TRIS 버퍼와 접촉시 가수분해되지 않고 실질적으로 안정한 물질로 형성될 수 있다. 또, 프로브 셀 액티브(120)는 반도체 제조 공정 또는 LCD 제조 공정에서 안정적으로 기판(100) 상에 성막이 가능하고 패터닝이 용이한 물질로 형성될 수 있다. 또, 프로브 셀 액티브(120)는 링커(142)와 커플링이 가능한 작용기를 직접 제공할 수 있거나, 오존처리, 산처리, 염기처리 등의 다양한 표면 처리를 통해 링커(142)와 커플링될 수 있는 작용기를 제공할 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 본 명세서에서 사용하는 작용기 또는 커플링기란 유기 합성 공정의 시발점(starting point)으로 사용될 수 있는 기를 지칭한다. 즉, 공유 또는 비공유 결합할 수 있는 기를 지칭하며 실록산 커플링 또는 유기 커플링될 수 있는 한 특정한 제한이 없다. 따라서, 프로브 셀 액티브(120)는 PE-TEOS막, HDP 산화막, P-SiH4 산화막, 열산화막 등의 실리콘 산화막, 하프늄 실리케이트, 지르코늄 실리케이트 등의 실리케이트, 실리콘 산질화막, 스핀-온 실록산막, 또는 폴리아크릴레이트, 폴리 스티렌, 폴리비닐, 이들의 코폴리머, 이들의 혼합물 등의 폴리머막으로 형성될 수 있다.
링커(142)는 올리고머 프로브(160)가 타겟 샘플과 자유롭게 상호작용, 예컨대 혼성화가 일어날 수 있게 함과 동시에 올리고머 프로브(160)가 프로브 셀 액티브(120)에 직접적으로 커플링되지 못하는 문제를 해결하기 위해 도입할 수 있다. 따라서, 링커(142)는 프로브와 타겟 샘플간의 자유로운 상호작용이 가능하도록 하기에 충분한 길이를 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 링커 분자의 길이는 6 내지 50atoms일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 링커(142)는 프로브 셀 액티브(120)와 올리고머 프로브(160) 간에 직접적으로 커플링이 어려운 경우 이들의 커플링을 매개하기 위해서 도입할 수 있다. 따라서, 링커(142)는 프로브 셀 액티브(120)와 커플링할 수 있는 커플링기와 올리고머 프로브(160)과 직접적으로 또는 간접적으로 커플링할 수 있는 작용기를 포함한다. 간접적 커플링이란, 도 2에 예시되어 있는 바와 같이, 링커(142)와 올리고머 프로브(160)가 다른 링커(143)를 개재하여 커플링되는 것을 지칭한다. 링커(142)가 다른 링커(143)를 개재하여 올리고머 프로브(160)와 연결되는 경우에는 링커(142)는 프로브 셀 액티브(120)와 커플링할 수 있는 커플링기와 다른 링커(143)와 커플링할 수 있는 작용기를 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 도면에는 다른 링커(143)를 개재하여 간접적으로 커플링된 경우가 예시되어 있으나 링커(142)의 특성에 따라 다른 링커(143)의 형성을 생략하고 링커(142)와 올리고머 프로브(160)가 직접 커플링될 수 있다. 이 경우에는 링커(142)는 프로브 셀 액티브(120)와 커플링할 수 있는 커플링기와 올리고머 프로브(160)와 직접적으로 커플링할 수 있는 작용기를 포함할 수 있다. 또, 링커(140)에는 저장 목적을 위한 보호기가 부착되어 있을 수 있다. 보호기는 부착되어 있는 위치가 화학 반응에 참여하는 것을 차단하는 기를 지칭하며, 탈보호는 보호기가 부착 위치로부터 분리되어 상기 위치가 화학 반응에 참여할 수 있도록 하는 것을 지칭한다. 예를 들면 링커(140)의 작용기에 산분해(acid labile)성 또는 광분해(photo labile)성 보호기가 부착되어 있어서 작용기를 보호하고 있다가 인-시츄 포토리소그래피 합성을 위한 모노머의 커플링 또는 합성 올리고머 프로브(160)의 커플링 전에 제거되어 작용기를 노출시킬 수 있다.
구체적으로, 도 2에 예시되어 있는 바와 같이, 프로브 셀 액티브(120)가 실리콘 산화막, 실리케이트, 실리콘 산질화막 또는 스핀-온 실록산막으로 이루어져서 프로브 셀 액티브(120)의 표면에 작용기인 Si(OH)기가 노출되어 있는 경우 Si(OH)와 반응하여 실록산(Si-O) 결합을 생성할 수 있는 커플링기를 포함하며 다른 링커(143) 또는 올리고머 프로브(160)와 유기상 커플링이 가능한 작용기를 포함하는 실란계 링커 또는 실록산계 링커가 사용될 수 있다. 커플링기로는 -Si(OMe)3, -SiMe(OMe)2, -SiMeCl2, -SiMe(OEt)2, -SiCl3, -Si(OEt)3 기를 열거할 수 있다. 작용기로는 유기 하이드록시기, 유기 아민기 등을 열거할 수 있다. 즉, 실란계 링커로는 알콕시 실란 계열의 물질로 상기 작용기를 갖는 물질, 작용기를 갖는 활성 실란과 작용기를 갖지 않는 비활성 실란의 혼합물, 또는 알콕시 실란 계열의 물질로, 빛, 열, 또는 산에 의해 분해되어 상기 작용기를 생성할 수 있는 물질이 사용될 수 있다. 구체적인 물질의 예로는 N-(3-(트리에톡시실릴)-프로필)-4-하이드록시부티르아미드(N-(3-(triethoxysilyl)-propyl)-4-hydroxybutyramide), N,N-비스(하이드록시에틸)아미노프로필-트리에톡시실란(N,N-bis(hydroxyethyl) aminopropyl-triethoxysilane), 아세톡시프로필-트리에톡시실란(acetoxypropyl-triethoxysilane), 3-글리시독시 프로필트리메톡시실란(3-Glycidoxy propyltrimethoxysilane), 폴리(디메틸실록산), 국제 공개 특허 WO 00/21967호에 개시된 실리콘 화합물, 미국특허 제6,989,267호 및 미국특허 제6,444,268호 등에 개시되어 있는 물질 등을 열거할 수 있으며, 상기 특허들의 내용은 본 명세서에 충분히 개시된 것처럼 원용되어 통합된다.
한편, 프로브 셀 액티브(120, 220, 320)가 폴리머로 이루어진 경우 아크릴기(acrylic), 스티릴기(styryl), 비닐기(vinyl)기를 커플링기로 포함하는 실란계 또는 실록산계 링커(142)가 사용될 수 있다.
링커(142)와 올리고머 프로브(160) 사이의 커플링을 매개하는 다른 링커(143)로는 링커(142)의 유기 작용기와 쉽게 반응할 수 있는 커플링기와 빛, 열, 또는 산에 의해 분해되어 올리고머 프로브(160) 또는 인-시츄 합성을 위한 모노머와 커플링할 수 있는 작용기를 생성할 수 있는 물질이 사용될 수 있다. 도 2에는 링커(142)와 다른 링커(143)의 작용기로 유기 하이드록시기가 예시되어 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 올리고머 프로브 어레이의 프로브 셀 액티브의 레이아웃들이다.
도 3a 및 도 3b를 참고하면, 도 1a 및 도 1b에 예시되어 있는 레이아웃과 실 질적으로 동일하고, 셀 액티브 패턴(1) 내에 셀 액티브 패턴(1)의 표면이 3차원이 되도록 하기 위한 다수의 그루브 패턴(2)이 배열된다는 점에 있어서만 차이가 있다.
도 4는 도 3a 또는 도 3b의 레이아웃을 사용하여 제조된 프로브 셀 액티브를 포함하는 올리고머 프로브 어레이의 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 올리고머 프로브 어레이는 도 2에 예시되어 있는 올리고머 프로브 어레이와 실질적으로 동일하나, 프로브 셀 액티브(220)가 3차원 표면을 가짐으로써 동일 디자인 룰이 적용되는 프로브 셀 어레이에 비해 올리고머 프로브(160)가 커플링될 수 있는 면적을 증대시킬 수 있다는 점에 있어서 차이가 있다. 따라서, 도 2에 예시되어 있는 올리고머 프로브 어레이와 동일 디자인 룰로 형성될 경우 커플링되는 올리고머 프로브(160)의 숫자를 증가시킬 수 있는 추가적인 효과가 있다. 이로써 디자인 룰이 감소하더라도 원하는 검출 강도를 확보할 수 있다.
본 명세서에서 3차원 표면이란 프로브 셀 액티브(220) 내에 형성된 하나 이상의 그루브(G) 등에 의해 프로브 셀 액티브(220)의 표면이 3차원 구조를 나타내는 것을 지칭한다. 따라서, 3차원 표면을 나타낼 수 있는 구조라면 그루브(G)에 한정되는 것은 아님은 물론이다.
이하 도 5a 내지 도 8b를 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 5a 내지 도 5i는 도 2에 예시되어 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 올리 고머 프로브 어레이의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 중간 단계 구조물들의 단면도들이다.
도 5a를 참조하면, 먼저 기판(100) 상에 프로브 셀 액티브 형성용 막(120a)을 형성한다. 프로브 셀 액티브 형성용 막(120a)은 PE-TEOS막, HDP 산화막, P-SiH4 산화막, 열산화막 등의 실리콘 산화막, 하프늄 실리케이트, 지르코늄 실리케이트 등의 실리케이트, 실리콘 산질화막, 스핀-온 실록산막, 또는 폴리아크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리비닐, 이들의 코폴리머, 이들의 혼합물 등의 폴리머막을 반도체 제조 공정 또는 LCD 제조 공정에서 안정적으로 적용되고 있는 형성 방법, 예컨대, CVD(Chemical Vapor Deposition), SACVD(Sub-Atmospheric CVD), LPCVD(Low Pressure CVD), PECVD(Plasma Enhanced CVD), 스퍼터링(Sputtering), 스핀 코팅(Spin Coating) 등의 방법을 적용하여 형성할 수 있다. 프로브 셀 액티브 형성용 막(120a) 상에 포토레지스트막(PRa)을 형성한 후, 도 1a 또는 도 1b의 레이아웃에 따라 제조된 마스크(400)를 사용하는 투영(projection) 노광기에서 포토레지스트막(PR)을 노광한다. 마스크(400)로는 투명 기판(410) 상에 프로브 셀 액티브를 정의하는 차광 패턴(420)이 형성되어 바둑판 형태의 노광 영역을 가지는 마스크가 예시되어 있으나 차광 패턴(420)의 형태는 사용하는 포토레지스트막(PRa)의 종류에 따라 변화될 수 있음은 물론이다.
도 5b를 참고하면, 노광된 포토레지스트막(PRa)을 현상하여 포토레지스트 패턴(PR)을 형성한 후, 이를 식각마스크로 사용하여 프로브 셀 액티브 형성용 막(120a)을 식각하여 물리적으로 분리된 프로브 셀 액티브(120)를 형성한다.
도 5c를 참고하면, 포토레지스트 패턴(PR)이 제거된 프로브 셀 액티브(120)의 표면(120s)에는 다수의 작용기가 노출된다. 이하 도면에서는 프로브 셀 액티브(120)가 실리콘 산화막으로 이루어진 경우를 예시하여 설명한다. 실리콘 산화막으로 이루어진 프로브 셀 액티브(120)의 표면(120s)에는 올리고머 프로브와 커플링이 가능한 SiOH기가 노출되어 있다.
도 5d를 참고하면, 프로브 셀 액티브(120)를 정의하는 프로브 셀 분리 영역 상에 격벽(135)을 형성한다. 격벽(135)의 두께는 프로브 셀 액티브(120)의 두께보다 높게 형성하여 각 프로브 셀 액티브(120)가 개별적인 미세 반응기(micro reactor)를 구성할 수 있도록 한다. 격벽(135)은 포토레지스트 또는 광반응성 고분자막을 형성한 후 노광 및 현상 공정을 실시하여 형성할 수 있다.
도 5e를 참고하면, 격벽(135)이 형성되어 있는 기판(100) 상에 링커 용액(141)을 제공한다. 링커 용액(141)의 제공은 기판(100) 상에 링커 용액(141)을 스핀 코팅하고, 미반응 링커 용액을 스핀 드라이하고, 잔존하는 링커 용액을 베이킹하는 것을 포함할 수 있다. 스핀 코팅시 링커 용액(141)의 두께는 가능한 얇게 하여 링커(도 5f의 142 참고)의 두께가 100nm 이하의 단분자층이 되도록 하는 것이 올리고머 프로브의 SNR 감소에 효과적이다. 스핀 코팅 및 스핀 드라이는 50 내지 5000rpm으로 수행할 수 있다. 스핀 코팅은 스핀 드라이보다는 낮은 rpm으로 수행하거나 스핀 없이 수행할 수도 있다. 베이킹은 100 내지 140 ℃의 온도에서 수행할 수 있다.
링커 용액(141)으로는 프로브 셀 액티브(120) 자체가 가지고 있는 작용기인 SiOH기보다 올리고머 프로브와의 커플링 반응성이 큰 작용기를 가지고 있으며 프로브 셀 분리 영역(130)을 구성하는 기판(100) 표면과는 커플링되지 않고 프로브 셀 액티브(120)와만 커플링될 수 있는 실란계 링커 용액 또는 실록산계 링커 용액을 사용할 수 있다.
도 5f를 참고하면, 격벽(135)을 제거하여 각 프로브 셀 액티브(120)의 가장자리 측벽(120b)을 제외한 영역에 링커(142)가 커플링되도록 한다. 격벽(135)의 제거는 포토레지스트 신너(thinner), 유기 포토레지스트 스트리퍼, 아세토니트릴 또는 아세톤 등을 사용할 수 있다. 후속의 인-시츄 포토리소그래피 합성 공정시 사용하는 용액과의 적합성을 고려할 때 아세토니트릴 또는 아세톤이 보다 더 적합할 수 있다. 링커(142)의 표면(142s)에는 프로브 셀 액티브(120)의 SiOH기보다 올리고머 프로브와 커플링 반응성이 큰 작용기(예., COH)가 노출된다.
격벽(135)의 유무에 따라 프로브 셀 액티브(120) 상에 형성되는 링커(142)의 가장자리 측벽이 어떻게 제어되는지를 도 6을 참고하여 보다 상세히 설명한다.
도 6을 참고하면, 링커액(141)을 코팅한 후, 스핀 및 스핀 후 베이크 공정을 차례대로 거침에 따라 용질(141a)과 용매(141b)의 이동 및 용매(141b)의 증발로 인하여 메니스커스가 생성된다. 이 때, 격벽이 없는 경우에는 베이킹 후 미반응 용액의 제거시 메니스커스가 그대로 영향을 미쳐 링커(142)에 메니스커스형 가장자리 측벽이 형성된다. 반면, 격벽(135)이 존재하는 경우 격벽(135)에 의해 각 프로브 셀 액티브(120)마다 미세 반응기가 형성된 상태로 링커 용액과 프로브 셀 액티브(120) 사이의 커플링이 진행되고 격벽(135) 제거시 일부 메니스커스 현상을 보이 는 미반응 용액이 격벽(135)과 함께 제거되어 메니스커스형 가장자리 측벽이 형성되지 않는다. 또한, 프로브 셀 액티브(120)의 가장자리 측벽 또한 링커(142)와 커플링되지 않고 비활성화된다.
다시 도 5g를 참고하면, 광분해성 보호기(144)가 결합되어 있는 다른 링커(143)를 링커(142) 표면(142s)의 COH기에 커플링시킨다. 다른 링커(143)는 타겟 샘플과의 자유로운 상호작용이 가능하도록 하기에 충분한 길이를 제공할 수 있는 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 다른 링커(143)로는 광분해성 보호기가 결합되어 포스포아미디트(phosphoramidite)가 사용될 수 있다. 광분해성 보호기(144)는 o-니트로벤질 유도체 또는 벤질설포닐과 같은 니트로 방향족 화합물을 포함하는 다양한 포지티브 광 분해성기 중에서 선택할 수 있다. 바람직하기로는 광분해성 보호기(144)로는 6-니트로베라트릴록시카보닐(NVOC), 2-니트로 벤질록시카보닐(NBOC), α, α-디메틸-디메톡시벤질록시카보닐(DDZ) 등이 사용될 수 있다.
도 5h를 참고하면, 표면에 노출되어 있으며 제2 링커(143)와 결합하지 않은 다수의 작용기들을 비활성 캡핑시킨다. 비활성 캡핑은 작용기(예., SiOH 또는 COH기)를 아세틸화시킬 수 있는 캡핑기(155)를 사용하여 수행할 수 있다. 그 결과 올리고머 프로브(160)와 커플링 가능한 작용기가 광분해성 보호기(144)에 의해 보호되어 있으며 링커(142)와 다른 링커(143)로 이루어진 링커가 완성된다.
도 5i를 참고하면, 올리고머 프로브(160)의 인-시츄 합성을 위하여 원하는 프로브 셀 액티브(120)를 노출시키는 마스크(500)를 사용하여 다른 링커(143) 말단의 광분해성 보호기(144)를 탈보호시켜 작용기(150)를 노출시킨다.
도면에는 도시되어 있지 않으나, 노출된 작용기(150)에 원하는 올리고머 프로브(160)를 커플링시킬 수 있다. 인-시츄 포토리소그래피에 의해 올리고뉴클레오타이드 프로브를 합성할 경우에는 노출된 작용기(150)에 광분해성 보호기가 결합된 뉴클레오사이드 포스포아미디트 모노머 또는 광분해성 보호기가 결합되고 아미디트 활성화된 뉴클레오타이드를 커플링시키고(coupling), 커플링에 참여하지 않은 작용기를 비활성 캡핑하고(capping), 포스파이트 트리에스터(phosphite triester) 구조를 포스페이트(phosphate) 구조로 변환시키기 위해 산화(oxidation)시킨다. 이와 같이, 원하는 프로브 셀 액티브(120)를 탈보호하고(deprotection), 원하는 서열의 모노머를 커플링시키고(coupling), 커플링에 참여하지 않은 작용기를 비활성 캡핑하고(capping), 포스페이트 구조로 변환시키기 위한 산화(oxidation) 공정을 순차적으로 반복 진행하여 원하는 서열의 올리고뉴클레오타이드 프로브(160)를 각 프로브 셀 액티브(120) 별로 합성할 수 있다.
도 7a 내지 도 7d는 도 4에 예시되어 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 중간 단계 구조물들의 단면도들이다.
도 7a를 참고하면, 먼저 기판(100) 상에 프로브 셀 액티브 형성용 막(220a)을 형성한다. 프로브 셀 액티브 형성용 막(220a)은 도 5a를 참고하여 설명한 프로브 셀 액티브 형성용 막(120a)과 실질적으로 동일한 막으로 형성할 수 있다. 프로브 셀 액티브 형성용 막(220a) 상에 포토레지스트막(PRa)을 형성한 후, 도 3a 또는 도 3b의 레이아웃에 도시되어 있는 액티브 패턴(1)에 따라 제조된 마스크(400)를 사용하는 투영(projection) 노광기에서 포토레지스트막(PRa)을 노광한다. 마스크(400)로는 투명 기판(410) 상에 프로브 셀 액티브를 정의하는 차광 패턴(420)이 형성되어 바둑판 형태의 노광 영역을 가지는 마스크가 예시되어 있으나 차광 패턴(420)의 형태는 사용하는 포토레지스트막(PRa)의 종류에 따라 변화될 수 있음은 물론이다.
도 7b를 참고하면, 노광된 포토레지스트막(PRa)을 현상하여 포토레지스트 패턴(PR)을 형성한 후, 이를 식각마스크로 사용하여 프로브 셀 액티브 형성용 막(220a)을 식각하여 소정 패턴(220b)을 형성한다.
도 7c를 참고하면, 포토레지스트 패턴(PR)을 제거한 후, 다시 포토레지스트막(PRb)을 도포하고, 도 3a 및 도 3b의 레이아웃에 도시되어 있는 그루브 패턴(2)에 따라 제조된 마스크(600)를 사용하는 투영 노광기에서 포토레지스트막(PRb)을 노광한다.
도 7d를 참고하면, 노광된 포토레지스트막(PRb)을 현상하여 그루브 패턴을 정의하는 포토레지스트 패턴(PR)을 형성한 후, 이를 식각마스크로 사용하여 식각 공정을 진행하여 내부에 형성된 그루브(G)에 의해 3차원 표면을 구비하는 프로브 셀 액티브(220)를 완성한다.
이후, 제조 공정은 도 5d 내지 도 5i를 참고하여 설명한 공정과 실질적으로 동일하게 진행되므로 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
도 8a 및 도 8b는 도 4에 예시되어 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 올리고머 프로브 어레이의 다른 제조 방법을 설명하기 위한 공정 중간 단계 구조물들의 단면도들이다.
도 8a를 참조하면, 먼저 기판(100) 상에 프로브 셀 액티브 형성용 막(120a)과 포토레지스트막(PRa)을 차례대로 형성한다. 이어서, 도 3a 또는 도 3b의 레이아웃에 따라 투명 기판(710) 상에 프로브 셀 액티브 패턴(1)과 그루브 패턴(2)이 동시에 반영된 반투과 패턴(720)이 형성된 반투과 마스크(700)를 사용하여 포토레지스트막(PRa)을 노광한다.
도 8b를 참고하면, 노광된 포토레지스트막(PRa)을 현상하여 3차원 표면을 가지는 포토레지스트 패턴(PR)을 형성한다.
이후, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 3차원 표면을 가지는 포토레지스트 패턴(PR)을 식각마스크로 사용하여 프로브 셀 액티브 형성용 막(220a)를 식각하여 그루브(G)에 의해 제공된 3차원 표면을 가지는 프로브 셀 액티브(도 4의 220 참고)를 형성한다. 이후, 제조 공정은 도 5d 내지 도 5i를 참고하여 설명한 공정과 실질적으로 동일하게 진행되므로 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
본 발명에 관한 보다 상세한 내용은 다음의 구체적인 실험예들을 통하여 설명하며, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 설명을 생략한다.
<실험예 1>
실리콘 기판 상에 스핀-온 실록산막을 900Å 두께로 형성하였다. 상기 기판 위에 포토레지스트막을 1.2㎛ 두께로 스핀 코팅법에 의해 형성한 후, 100℃에서 60초간 베이크하였다. 1.0㎛ 피치의 바둑판 형태의(checkerboard type) 마스크를 사 용하여 365nm 파장의 투영 노광 장비에서 포토레지스트막을 노광한 후, 2.38% 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TetraMethylAmmonium Hydroxide) 수용액으로 현상하여 바둑판 형태의 가로 세로 교차되는 직선 영역을 노출시키는 포토레지스트 패턴을 형성하였다. 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 스핀-온 실록산막을 식각하여 올리고머 프로브 셀 액티브로 패터닝하였다.
이어서, 기판 상에 포토레지스트막을 1.2㎛ 두께로 스핀 코팅법에 의해 형성한 후, 올리고머 프로브 셀 액티브만을 노광하고 현상하여 프로브 셀 분리 영역에 포토레지스트 격벽을 형성하였다.
이어서, 패터닝된 올리고머 프로브 셀 액티브 상에 실란 링커를 커플링하였다. 먼저, 비스(하이드록에틸)아미노프로필 트리에톡시실란 0.8g을 에탄올: H2O=95:5의 혼합 용매에 용해시켜 0.1% 실란 용액을 제조하였다. 이후, 0.1% 실란 용액을 격벽이 형성되어 있는 기판 상에 도포하고 50rpm에서 60초간 반응시켰다. 60초간 반응 후, 이소프로필 알코올을 이용하여 미반응 실란을 제거하고, 1500~2500rpm으로 3분간 스핀 드라이하였다. 스핀 드라이된 기판을 110℃에서 10분간 베이크하여 올리고머 프로브 셀 액티브와 커플링된 실란을 고화(hardening)하였다. 이후, 포토레지스트 격벽을 아세토니트릴 용액으로 제거하여 물리적으로 분리된 3차원 입체 구조의 프로브 셀 액티브의 가장자리 측벽을 제외한 상면에 링커가 커플링되도록 하였다. 그 결과 물리화학적으로 분리되고 가장자리 측벽은 비활성된 프로브 셀 액티브를 완성하였다. 이후, 아미디트 활성화된 NNPOC-테트라에틸렌글리 콜(tetraethyleneglycol)과 테트라아졸(tetrazole) 의 1:1 아세토니트릴(acetonitrile) 용액을 처리하여 광분해성기로 보호된 포스포아미디트를 커플링하고, 아세틸 캡핑하여 보호된 링커 구조를 완성하였다.
이후, 올리고머 프로브 셀 액티브와 셀 분리 영역을 포함하는 기판 상에 올리고뉴클레오타이드 프로브의 인-시츄 합성을 포토리소그래피 방식으로 진행하였다. 먼저, 원하는 프로브 셀 액티브 영역을 노출시키는 바이너리 크롬 마스크를 사용하고 365nm 파장의 투영 노광 장비로 1000mJ/㎠ 의 에너지로 1분간 노광하여 링커 구조의 말단을 탈보호하였다. 이어서, 광분해성 보호기로 보호되고 아미디트 활성화된 뉴클레오타이드와 테트라아졸의 1:1 아세토니트릴 용액을 상온 처리하여 보호된 모노머를 커플링하고, 아세트산 무수물(Ac20)/피리딘(py)/메틸이미다졸(methylimidazole)=1:1:1의 THF 용액 및 0.02M의 요오드 THF 용액을 처리하여 캡핑 및 산화 공정을 진행하였다.
이와 같은 탈보호, 커플링, 캡핑, 산화 공정을 반복하여 각 프로브 셀 액티브별로 서로 다른 서열의 올리고뉴클레오타이드 프로브를 합성하였다.
<비교예>
프로브 셀 분리 영역 상에 포토레지스트 격벽을 형성하지 않았다는 점을 제외하고는 상술한 실험예와 동일하게 올리고뉴클레오타이드 프로브를 합성하였다.
실험예와 비교예에서 각각 생성한 실란 링커가 커플링된 프로브 셀 액티브의 콘트라스트를 측정하고, SEM 단면 및 상면도를 측정한 결과가 도 9a 내지 도 9c와 도 10a 내지 도 10c에 각각 도시되어 있다.
도 9a에 도시되어 있는 바와 같이, 실험예에 따라 격벽을 사용하여 생성된 프로브의 경우 콘트라스트가 65k/0으로 매우 우수한 반면, 비교예에 따라 격벽을 사용하지 않고 생성한 프로브의 경우 콘트라스트가 35k/0으로 매우 낮음을 알 수 있다. 또, 도 9b 및 도 9c에 도시되어 있는 바와 같이, 실험예에 따라 격벽을 사용하여 생성한 프로브의 경우 실란 링커에 메니스커스형 측벽이 생성되지 않고 프로브 셀 액티브의 상면에만 실란 링커가 커플링됨을 알 수 있다. 반면, 도 10b 및 도 10c에 도시되어 있는 바와 같이, 비교예에 따라 격벽을 사용하지 않고 생성한 프로브 셀 액티브의 경우 실란 링커에 메니스커스형 측벽이 생성되고 프로브 셀 액티브의 측벽에도 실란 링커가 커플링됨을 알 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 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.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 올리고머 프로브 어레이는 올리고머 프로브와 커플링할 수 있는 작용기를 포함하지 않는 프로브 셀 분리 영역에 의해 물리적으로 분리될 뿐만 아니라 가장자리 측벽을 제외한 영역에 커플링된 링커에 의해 화학적으로 분리된 프로브 셀 액티브를 포함한다. 따라서, 올리고머 프로브가 프로브 셀 액티브의 상면에만 커플링되고 프로브 셀 액티브의 측벽 및 프로브 셀 액티브를 둘러싸는 프로브 셀 분리 영역에는 커플링되지 않는다. 그러므로, 올리고머 프로브를 이용한 분석시 SNR이 보다 더 증가되고 크로스토크가 감소되어 분석의 정확도를 높일 수 있다.

Claims (20)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 다수의 프로브 셀 액티브로, 각 프로브 셀 액티브는 가장자리 측벽을 제외한 영역에 링커가 커플링되어 상기 가장자리 측벽이 비활성화된 다수의 프로브 셀 액티브;
    상기 다수의 프로브 셀 액티브를 분리하는 프로브 셀 분리 영역으로 표면이 상기 올리고머 프로브와 커플링되는 작용기를 포함하지 않는 프로브 셀 분리 영역; 및
    상기 프로브 셀 액티브의 링커에 커플링된 다수의 올리고머 프로브를 포함하는 올리고머 프로브 어레이.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 다수의 프로브 셀 액티브는 상기 프로브 셀 분리 영역에 의해 물리적으로 분리되고 상기 링커에 의해 화학적으로 분리된 올리고머 프로브 어레이.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 링커는 실란계 링커 또는 실록산계 링커인 올리고머 프로브 어레이.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 각 프로브 셀 액티브는 실리콘 산화막, 스핀-온 실록 산막, 또는 폴리머막으로 이루어진 올리고머 프로브 어레이.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 각 프로브 셀 액티브는 평평한 상면 또는 3차원 상면을 가지는 올리고머 프로브 어레이.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 기판 또는 투명 유리 기판이고, 상기 프로브 셀 분리 영역의 표면은 상기 기판의 노출된 표면인 올리고머 프로브 어레이.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 올리고머 프로브는 다른 링커를 개재하여 상기 링커와 커플링되는 올리고머 프로브 어레이.
  8. 기판을 제공하고,
    상기 기판 상에 프로브 셀 분리 영역에 의해 분리되는 다수의 프로브 셀 액티브를 형성하고,
    상기 프로브 셀 분리 영역 상에 상기 다수의 프로브 셀 액티브의 두께보다 높은 두께의 격벽을 형성하고,
    상기 기판 상에 링커 용액을 제공하고,
    상기 격벽을 제거하여 상기 각 프로브 셀 액티브의 가장자리 측벽을 제외한 영역에 상기 링커가 커플링되도록 하는 것을 포함하는 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 격벽은 포토레지스트 또는 광반응성 고분자로 이루어진 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 링커 용액을 제공하는 것은 상기 기판 상에 링커 용액을 스핀 코팅하고, 미반응 링커 용액을 스핀 드라이하고, 잔존하는 링커 용액을 베이킹하는 것을 포함하는 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 링커 용액은 실란계 링커 용액 또는 실록산계 링커 용액인 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법.
  12. 제10 항에 있어서, 상기 스핀 코팅 및 스핀 드라이는 50 내지 5000rpm으로 수행하는 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법.
  13. 제10 항에 있어서, 상기 베이킹은 100 내지 140℃의 온도에서 수행하는 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법.
  14. 제10 항에 있어서, 상기 격벽을 제거하는 것은 포토레지스트 신너, 유기 포토레지스트 스트리퍼, 아세토니트릴 또는 아세톤을 사용하는 올리고머 프로브 어레 이의 제조 방법.
  15. 제14 항에 있어서, 상기 격벽을 제거하는 것은 아세토니트릴 또는 아세톤을 사용하는 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법.
  16. 제8 항에 있어서, 상기 각 프로브 셀 액티브는 실리콘 산화막, 스핀-온 실록산막, 또는 폴리머막으로 형성하는 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법.
  17. 제8 항에 있어서, 상기 각 프로브 셀 액티브는 평평한 상면 또는 3차원 상면을 가지도록 형성하는 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법.
  18. 제8 항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 기판 또는 투명 유리 기판이고, 상기 프로브 셀 분리 영역의 표면은 상기 기판의 노출된 표면인 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법.
  19. 제8 항에 있어서, 상기 다수의 프로브 셀 액티브 상에 올리고머 프로브를 커플링하는 것을 더 포함하는 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법.
  20. 제19 항에 있어서, 상기 올리고머 프로브를 커플링하기 전에 상기 링커에 다른 링커를 커플링하고,
    상기 올리고머 프로브의 커플링은 인-시츄 포토리소그래피 올리고머 프로브 합성에 의해 수행하는 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법.
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