KR20100128518A - Pcr chip using nanofluids and method for manufacuring pcr chip - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 일 양상은 미세가공기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩 및 그 제조방법에 관한 것이다.One aspect of the present invention relates to a microfabrication technology, and more particularly to a polymerase chain reaction chamber chip and a method of manufacturing the same.
유전병 진단과 같은 질병 진단용 칩의 개발을 위해서는 결과의 정확성과 함께 사용의 간편성이 보장 되어야 한다. 지금까지의 질병진단은 환자의 혈액 또는 체액을 채취하여 분석자에게 의뢰를 하면 화학분석을 통하여 수 시간 혹은 수 일 내에 통보해주는 식이다. The development of disease diagnosis chips, such as genetic disease diagnosis, must ensure the accuracy of the results and the ease of use. Until now, the disease diagnosis has been collected by the patient's blood or body fluid and sent to the analyst to inform the chemical analysis within hours or days.
최근의 기술동향은 유체 기술과 MEMS(Microelectromechanical Systems)를 이용한 미세가공기술을 기존의 분석기술에 접목시키는 추세이다. 이때 적은 양의 액체 시료를 단위 칩에서 다룰 수 있도록 시료분석에 필요한 모든 구성요소를 소형화(miniaturization) 및 집적화(integration)하여 온 칩(on-chip)화시켜 랩온어칩(lab-on-a-chip)을 구현한다.Recent technology trends are incorporating fluid technology and microprocessing technology using MEMS (Microelectromechanical Systems) into existing analytical technologies. At this time, all components necessary for sample analysis can be miniaturized and integrated so that a small amount of liquid sample can be handled on a unit chip, and on-chip to be lab-on-a- chip).
특히, 랩온어칩 제조에 있어서 중요한 부분 중 하나는 유전자를 증폭 및 배양하는 부분이다. 유전자 증폭 및 배양을 위해 중합효소 연쇄반응(Polymer Chain Reaction, PCR)이 이용된다. PCR은 금세기 분자 생물학에 혁신을 가져다 준 기술 중 하나로 마이크로 칩에 집적화하기가 가장 힘든 부분으로 랩온어칩 구현에 있어서 가장 핵심사항 중 하나이다.In particular, one of the important parts in the production of lab-on-a-chip is the part for amplifying and culturing genes. Polymer chain reaction (PCR) is used for gene amplification and culture. PCR is one of the innovations in molecular biology of the century, and one of the most critical aspects of lab-on-a-chip implementation, the most difficult to integrate into microchips.
일 양상에 따라, 생체시료 내에 존재하는 분석물질의 유전자 증폭 및 배양을 효율적으로 구현할 수 있는 중합효소 연쇄반응 칩 및 그 제조방법을 제안한다.According to one aspect, a polymerase chain reaction chip capable of efficiently implementing gene amplification and culture of analytes present in a biological sample and a method of manufacturing the same are proposed.
일 양상에 따른 중합효소 연쇄반응 칩은, 가열기 및 센서를 포함하는 중간층, 가열기 및 센서를 수용하고 시료의 중합효소 연쇄반응을 수행하는 챔버 및 중합효소 연쇄반응을 위한 반응물질이 흐를 수 있는 제1 유체채널을 포함하는 상부기판 및 나노유체를 통해 챔버의 열을 차단하거나 발산시키는 제2 유체채널을 포함하는 하부기판을 포함한다.According to one aspect, a polymerase chain reaction chip includes an intermediate layer including a heater and a sensor, a chamber accommodating the heater and the sensor, and a polymerase chain reaction of a sample, and a first material through which a reactant for polymerase chain reaction can flow. An upper substrate comprising a fluid channel and a lower substrate comprising a second fluid channel for blocking or dissipating heat in the chamber through the nanofluid.
여기서, 챔버는 상부기판의 하부에 형성되고, 가열기 및 센서는 중간층의 상부에 형성된다. 또한 하부기판의 나노유체는 챔버의 가열 시에는 열을 차단하고, 냉각 시에는 열을 발산한다. 그리고, 나노유체는 이산화티타늄(TiO2)을 포함할 수 있다.Here, the chamber is formed below the upper substrate, and the heater and the sensor are formed above the intermediate layer. In addition, the nanofluid of the lower substrate blocks heat when the chamber is heated, and dissipates heat when cooled. The nanofluid may include titanium dioxide (TiO 2 ).
나아가, 챔버는 이방성 식각용액을 통해 식각되어 형성될 수 있다. 제1 유체채널 및 제2 유체채널은 마이크로 블라스터(micro blaster) 공정을 통해 식각되어 형성될 수 있다.Further, the chamber may be formed by etching through the anisotropic etching solution. The first fluid channel and the second fluid channel may be formed by etching through a micro blaster process.
한편 다른 양상에 따른 중합효소 연쇄반응 칩은, 가열기 및 센서가 형성되고, 시료의 중합효소 연쇄반응을 위한 반응물질이 흐를 수 있는 제1 유체채널을 포 함하는 상부기판, 가열기 및 센서를 수용하고 중합효소 연쇄반응을 수행하는 챔버를 포함하는 중간층 및 나노유체를 통해 챔버의 열을 차단하거나 발산시키는 제2 유체채널을 포함하는 하부기판을 포함한다.Meanwhile, the polymerase chain reaction chip according to another aspect includes a top substrate, a heater, and a sensor, in which a heater and a sensor are formed, and including a first fluid channel through which a reactant for a polymerase chain reaction of a sample can flow. An intermediate layer including a chamber for performing the polymerase chain reaction, and a lower substrate including a second fluid channel for blocking or dissipating heat of the chamber through the nanofluid.
여기서, 가열기 및 센서는 상부기판의 하부에 형성되고, 챔버는 중간층의 상부에 형성된다. 또한 하부기판의 나노유체는 챔버의 가열 시에는 열을 차단하고, 냉각 시에는 열을 발산한다. 그리고, 나노유체는 이산화티타늄(TiO2)을 포함할 수 있다.Here, the heater and the sensor are formed under the upper substrate, and the chamber is formed over the intermediate layer. In addition, the nanofluid of the lower substrate blocks heat when the chamber is heated, and dissipates heat when cooled. The nanofluid may include titanium dioxide (TiO 2 ).
나아가, 챔버는 이방성 식각용액을 통해 식각되어 형성될 수 있다. 제1 유체채널 및 제2 유체채널은 마이크로 블라스터 공정을 통해 식각되어 형성될 수 있다.Further, the chamber may be formed by etching through the anisotropic etching solution. The first fluid channel and the second fluid channel may be formed by etching through a micro blaster process.
한편 또 다른 양상에 따른 중합효소 연쇄반응 칩 제조방법은, 가열기 및 센서를 포함하는 중간층이 형성되는 단계, 가열기 및 센서를 수용하고 시료의 중합효소 연쇄반응을 수행하는 챔버 및 중합효소 연쇄반응을 위한 반응물질이 흐를 수 있는 제1 유체채널을 포함하는 상부기판이 형성되는 단계, 나노유체를 통해 챔버의 열을 차단하거나 발산시키는 제2 유체채널을 포함하는 하부기판이 형성되는 단계 및 상부기판, 중간층 및 하부기판이 본딩되는 단계를 포함한다.Meanwhile, a method of manufacturing a polymerase chain reaction chip according to another aspect includes forming a middle layer including a heater and a sensor, a chamber accommodating the heater and the sensor, and performing a polymerase chain reaction of a sample, and for a polymerase chain reaction. Forming an upper substrate including a first fluid channel through which a reactant can flow, forming a lower substrate including a second fluid channel for blocking or dissipating heat in the chamber through the nanofluid, and an upper substrate and an intermediate layer And bonding the lower substrate.
한편 또 다른 양상에 따른 중합효소 연쇄반응 칩 제조방법은, 가열기, 센서 및 시료의 중합효소 연쇄반응을 위한 반응물질이 흐를 수 있는 제1 유체채널을 포함하는 상부기판이 형성되는 단계, 가열기 및 센서를 수용하고 중합효소 연쇄반응 을 수행하는 챔버를 포함하는 중간층이 형성되는 단계, 나노유체를 통해 챔버의 열을 차단하거나 발산시키는 제2 유체채널을 포함하는 하부기판이 형성되는 단계 및 상부기판, 중간층 및 하부기판이 본딩되는 단계를 포함한다.On the other hand, the polymerase chain reaction chip manufacturing method according to another aspect, the step of forming an upper substrate comprising a heater, a sensor and a first fluid channel through which the reactant for the polymerase chain reaction of the sample flows, the heater and the sensor Forming an intermediate layer including a chamber for accommodating and performing a polymerase chain reaction, forming a lower substrate including a second fluid channel for blocking or dissipating heat of the chamber through the nanofluid, and an upper substrate and an intermediate layer And bonding the lower substrate.
일 실시예에 따르면, 가열기 및 센서가 챔버의 내부에 형성됨에 따라 중합효소 연쇄반응시에 챔버의 온도 상승 및 온도 하강의 시간을 단축할 수 있다. 이에 따라 중합효소 연쇄반응 시에 증폭을 위한 온도 사이클 시간을 단축할 수 있다. 또한, 시료의 온도를 실시간으로 측정할 수 있다.According to an embodiment, as the heater and the sensor are formed inside the chamber, it is possible to shorten the time of temperature rise and temperature drop of the chamber during the polymerase chain reaction. This can shorten the temperature cycle time for amplification in the polymerase chain reaction. In addition, the temperature of the sample can be measured in real time.
나아가, 중합효소 연쇄반응시에 나노유체를 통해 챔버의 온도 승온 속도 및 감온 속도를 향상시킬 수 있다. 즉, 챔버의 가열 시에는 나노유체가 열 차단제로 사용됨에 따라 온도 상승 시간을 단축시킬 수 있다. 이에 비해 챔버의 냉각 시에는 나노유체가 열 발산제로 사용됨에 따라 온도 하강 시간을 단축시킬 수 있다. Furthermore, the temperature increase rate and the temperature decrease rate of the chamber can be improved through the nanofluid during the polymerase chain reaction. That is, when the chamber is heated, the temperature rise time can be shortened as the nanofluid is used as a heat shield. In contrast, when the chamber is cooled, the temperature drop time can be shortened as the nanofluid is used as a heat dissipating agent.
나아가, 챔버를 이방성 식각용액인 TMAH(tetramethylammonium hydroxide) 수용액을 이용하여 식각함에 따라, 가장 안정되고 산화막에 대한 실리콘의 높은 선택비, 적정한 이방성 때문에 CMOS 공정과 호환이 가능하다.Furthermore, as the chamber is etched using an aqueous solution of tetramethylammonium hydroxide (TMAH), which is an anisotropic etching solution, the chamber is most stable and compatible with a CMOS process due to the high selectivity of silicon to an oxide film and proper anisotropy.
나아가, 제1 유체채널 및 제2 유체채널은 마이크로 블라스터 공정을 통해 식각됨에 따라, 높은 압력의 공기 또는 가스에 의해 가속되어 마이크로 노즐을 통해 분사되는 마이크로 단위의 연마제가 마이크로 머시닝에 어려움이 있는 기판에 다양한 형태로 식각할 수 있다.Furthermore, as the first fluid channel and the second fluid channel are etched through the micro blaster process, micro-abrasive particles accelerated by high pressure air or gas and sprayed through the micro nozzle are applied to the substrate having difficulty in micro machining. It can be etched in various forms.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described embodiments of the present invention; In the following description of the present invention, if it is determined that detailed descriptions of related well-known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to intention or custom of a user or an operator. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 칩(micro-PCR chip)(1)을 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 칩(1)은 챔버(micro-chamber)(10), 제1 유체채널(first type micro-fluidic channel)(20) 및 제2 유체채널(second type micro-fluidic channel)(30)을 포함한다.1 is a diagram illustrating a polymerase chain reaction chip (micro-PCR chip) 1 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a polymerase
중합효소 연쇄반응 칩(1)은 중합효소 연쇄반응(Polymer Chain Reaction, PCR)을 이용하여 생체시료 내에 존재하는 분석물질을 분석한다. 중합효소 연쇄반응은 2가닥의 DNA의 3' 말단 측에 각각의 프라이머(primer)를 연결시키고 DNA 중합효소(DNA polymerase)를 이용하여 DNA의 합성 반응을 수행하는 것이다. 분석물질은 DNA가 존재하는 모든 생체시료가 그 대상일 수 있다.The polymerase
일 실시예에 따른 챔버(chamber)(10)는 가열기(heater)(40) 및 센서(sensor)(50)를 수용한다. 즉, 가열기(40) 및 센서(50)가 챔버(10)의 외부, 예를 들면 챔버(10)의 뒷면에 형성된 형태가 아니고, 챔버(10)에 수용되는 내장 형태 이다. 일 실시예에 따르면, 가열기(heater)(40) 및 센서(sensor)(50) 내장 형태인 경우 챔버가 중합효소 연쇄반응 칩(1) 상부기판의 하부에 형성되고, 가열기 및 센서가 중간층의 상부에 형성될 수 있다. 또는 가열기 및 센서는 상부기판의 하부에 형성되고, 챔버는 중간층의 상부에 형성될 수 있다.The
가열기 및 센서가 챔버의 외부에 형성되면 시료의 온도 측정시에 오류가 발생될 수 있으므로 온도 보정이 필요하다. 예를 들면, 설정 온도를 높이는 경우 오버슛(overshoot)이 발생할 수 있다.If the heater and the sensor are formed outside the chamber, an error may occur when measuring the temperature of the sample, so temperature correction is necessary. For example, overshoot may occur when the set temperature is increased.
그러나, 전술한 바와 같이 가열기(40) 및 센서(50)가 챔버(10)의 내부에 형성되는 경우 챔버(10)의 온도 상승 및 온도 하강의 시간을 단축할 수 있다. 이에 따라 중합효소 연쇄반응 시에 증폭을 위한 온도 사이클 시간을 단축할 수 있다. 또한, 시료의 온도를 실시간으로 측정할 수 있다.However, as described above, when the
한편, 제1 유체채널(first type micro-fluidic channel)(20)은 중합효소 연쇄반응 시에 중합효소 연쇄반응을 위한 반응물질이 흐른다. 반응물질의 예를 들면 DNA 증폭 물질일 수 있다.On the other hand, the first fluid channel (first type micro-fluidic channel) 20, the reaction material for the polymerase chain reaction during the polymerase chain reaction flows. Examples of the reactants may be DNA amplification agents.
한편, 제2 유체채널(second type micro-fluidic channel)(30)은 나노유체(Nanofluids)가 흐름에 따라 중합효소 연쇄반응 시에 챔버(10)의 열을 차단하거나 발산시킨다.On the other hand, the second fluid channel (second type micro-fluidic channel) 30 blocks or dissipates heat in the
나노유체란 10~50㎚ 입자 크기를 가지는 나노 입자를 유체 속에 균일하게 분산, 부유시킨 유체를 말한다. 나노유체를 냉각 유체로 사용할 경우 온도가 증가하면 스스로 열전도도를 증가시켜서 열 전달을 상승시킬 수 있다. 또한, 열 전도율 이 우수하다. 또한, 임계 열 유속(critical heat flux)이 일반 유체에 비해 3배 정도 빠르다.Nanofluid refers to a fluid in which nanoparticles having a particle size of 10 to 50 nm are uniformly dispersed and suspended in a fluid. When nanofluids are used as cooling fluids, they can increase heat transfer by increasing the thermal conductivity on their own as the temperature increases. In addition, the thermal conductivity is excellent. In addition, the critical heat flux is about three times faster than normal fluids.
일 실시예에 따르면 나노유체는 이산화티타늄(Titanium Oxide, TiO2)을 포함한다. 예를 들면, 나노유체는 초순수(DI water)에 이산화티타늄이 0.3wt% 비율로 혼합된 형태이다. 이 경우, 나노유체가 혼합되지 않은 기본유체에 비하여 최대 20% 정도의 열 전도율을 향상시킬 수 있다.According to one embodiment, the nanofluid includes titanium dioxide (TiO 2 ). For example, nanofluid is a form in which titanium dioxide is mixed in ultrapure water (DI water) at a rate of 0.3wt%. In this case, it is possible to improve the thermal conductivity of up to 20% compared to the basic fluid is not mixed with the nanofluid.
제2 유체채널(30)은 전술한 나노유체를 이용하여 챔버(10)의 열 차단(heat-block) 및 열 발산(heat-sink) 역할을 한다. 이때 나노유체를 통해 챔버(10)의 온도 승온 속도 및 감온 속도를 향상시킬 수 있다. 즉, 챔버(10)의 가열 시에는 나노유체가 열 차단제로 사용됨에 따라 온도 상승 시간을 단축시킬 수 있다. 이에 비해 챔버(10)의 냉각 시에는 나노유체가 열 발산제로 사용됨에 따라 온도 하강 시간을 단축시킬 수 있다. The
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 칩(1a, 1a')의 단면도이다.2A and 2B are cross-sectional views of polymerase chain reaction chips 1a and 1a 'according to one embodiment of the present invention.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 일 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 칩(1a 또는 1a')은 제1 유체채널(20a) 및 챔버(10a)를 포함하는 상부기판(60), 가열기(40a) 및 센서(50a)를 포함하는 중간층(70) 및 제2 유체채널(30a 또는 30a')을 포함하는 하부기판(80)을 포함한다. 전술한 구조를 갖는 중합효소 연쇄반응 칩(1a,1a')을 설명의 편의를 위해 제1 타입 중합효소 연쇄반응 칩이라 칭하고, 이하 상세한 설명 에서 제1 타입 중합효소 연쇄반응 칩이라는 용어를 사용한다.2A and 2B, the polymerase chain reaction chip 1a or 1a 'according to an embodiment may include an
제1 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1a,1a')에 있어서, 상부기판(60)은 DNA 증폭 물질이 흐를 수 있는 제1 유체채널(20a) 및 챔버(10a)를 포함한다. 챔버(10a)는 상부기판(60)의 하부에 형성될 수 있다. 상부기판(60)의 제1 유체채널(20a) 및 챔버(10a)의 재질은 유리 웨이퍼일 수 있는데, 이는 반응 시에 DNA 증폭 시료를 눈으로 쉽게 식별할 수 있도록 하기 위함이다. In the first type polymerase chain reaction chip 1a, 1a ', the
챔버(10a)는 이방성 식각용액인 TMAH(tetramethylammonium hydroxide) 수용액을 이용하여 식각됨에 따라 형성될 수 있다. 4주기의 암모늄 혼합물인 TMAH 수용액은 수용성 암모니아 계열의 용액 중에서도 가장 안정되고 다른 실리콘 습식 식각에 사용될 수 있는 수용액들보다 독성이 적다. 또한 산화막에 대한 실리콘의 높은 선택비, 적정한 이방성 때문에 CMOS 공정과 호환이 가능한 집적화된 마이크로 머시닝 기술에 사용할 수 있다.The
중간층(70)은 가열기(40a) 및 센서(50a)가 집적화된다. 이때 가열기(40a) 및 센서(50a)는 중간층(70)의 상부에 형성됨에 따라, 상부기판(60)의 하부에 형성된 챔버(10a)가 전술한 가열기(40a) 및 센서(50a)를 수용할 수 있다. 중간층(70)의 가열기(40a) 및 센서(50a)의 재질은 실리콘 웨이퍼일 수 있는데, 이는 열전도성이 뛰어난 실리콘을 이용하여 냉각효과를 극대화하기 위해서이다.The
한편, 하부기판(80)은 열 차단(heat-block) 및 열 발산(heat-sink) 역할을 하는 나노유체가 흐를 수 있도록 제2 유체채널(30a,30a')을 포함한다. 일 실시예 에 따르면 나노유체는 이산화티타늄(Titanium Oxide, TiO2)을 포함한다. 하부기판(80)의 제2 유체채널(30a,30a')의 재질은 실리콘 웨이퍼이거나 유리 웨이퍼일 수 있는데, 바람직하게는 제2 유체채널(30a,30a')의 재질은 실리콘 웨이퍼일 수 있다.The
제2 유체채널(30a,30a')은 굴곡형(meander type)이거나 챔버형(chamber type)일 수 있다. 도 2a는 굴곡형 제2 유체채널(30a)을 포함하는 제1 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1a)을 도시한 도면이고, 도 2b는 챔버형 제2 유체채널(30a')을 포함하는 제1 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1a')을 도시한 도면이다.The second
일 실시예에 따른 제2 유체채널(30a,30a')은 마이크로 블라스터(micro blaster) 식각 공정을 이용하여 형성된다. 마이크로 블라스터는 일종의 물리적인 식각 공정 장치로, 높은 압력의 공기 또는 가스에 의해 가속되어 마이크로 노즐을 통해 분사되는 마이크로 단위의 연마제가 마이크로 머시닝에 어려움이 있는 기판을 다양한 형태로 식각할 수 있는 장치이다.In an embodiment, the second
도 3a 및 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 칩(1b 또는1b')의 단면도이다. 3A and 3B are cross-sectional views of polymerase
도 3을 참조하면, 다른 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 칩 (1b 또는 1b')은 가열기(40b), 센서(50b) 및 제1 유체채널(20b)을 포함하는 상부기판(60), 챔버(10b)를 포함하는 중간층(70) 및 제2 유체채널(30b 또는 30b')을 포함하는 하부기판(80)을 포함한다. 전술한 구조를 갖는 중합효소 연쇄반응 칩(1b,1b')을 설명의 편의를 위해 제2 타입 중합효소 연쇄반응 칩이라 칭하고, 이하 상세한 설명에서 제2 타입 중합효소 연쇄반응 칩이라는 용어를 사용한다.Referring to FIG. 3, the polymerase
제2 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1b,1b')에 있어서, 상부기판(60)은 가열기(40b), 센서(50b) 및 제1 유체채널(20b)을 포함한다. 가열기(40b) 및 센서(50b)는 상부기판(60)의 하부에 형성될 수 있다. 이때 제1 유체채널(20b)의 재질은 유리 웨이퍼일 수 있는데, 이는 반응 시에 DNA 증폭 시료를 눈으로 쉽게 식별할 수 있도록 하기 위함이다. In the second type polymerase
중간층(70)은 챔버(10b)를 포함한다. 챔버(10b)는 중간층(70)의 상부에 형성됨에 따라, 상부기판의 하부에 형성되는 가열기(40b) 및 센서(50b)를 수용할 수 있다. 챔버(10b)는 이방성 식각용액인 TMAH(tetramethylammonium hydroxide) 수용액을 이용하여 식각됨에 따라 형성될 수 있다. The
한편, 하부기판(80)은 열 차단(heat-block) 및 열 발산(heat-sink) 역할을 하는 나노유체가 흐를 수 있도록 제2 유체채널(30b,30b')을 포함한다. 일 실시예에 따르면 나노유체(30b,30b')는 이산화티타늄(Titanium Oxide, TiO2)을 포함한다. 하부기판(80)의 제2 유체채널(30b,30b')의 재질은 실리콘 웨이퍼이거나 유리 웨이퍼일 수 있는데, 바람직하게는 제2 유체채널(30b,30b')의 재질은 실리콘 웨이퍼일 수 있다.Meanwhile, the
제2 유체채널(30b,30b')은 굴곡형(meander type)이거나 챔버형(chamber type)일 수 있다. 도 3a는 굴곡형 제2 유체채널(30b)을 포함하는 제2 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1b)을 도시한 도면이고, 도 3b는 챔버형 제2 유체채널(30b')을 포 함하는 제2 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1b')을 도시한 도면이다. 일 실시예에 따른 제2 유체채널(30b,30b')은 마이크로 블라스터 식각 공정을 이용하여 형성된다.The second
도 4는 도 2a 및 도 2b의 제1 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1a,1a')의 다양한 실시예에 따른 마스크(mask)를 도시한 도면이다. 도 4의 (a)는 굴곡형 유체채널(meander-type micro-fluidic channel)을 가진 중합효소 연쇄반응 칩의 마스크를 도시한 도면이고, 도 4의 (b)는 챔버형 유체채널(chamber-type micro-fluidic channel)을 가진 중합효소 연쇄반응 칩의 마스크를 도시한 도면이다.4 is a diagram illustrating a mask according to various embodiments of the first type polymerase chain reaction chips 1a and 1a ′ of FIGS. 2A and 2B. Figure 4 (a) is a view showing a mask of the polymerase chain reaction chip having a meander-type micro-fluidic channel, Figure 4 (b) is a chamber-type fluid channel (chamber-type) Figure shows a mask of a polymerase chain reaction chip having a micro-fluidic channel.
일 실시예에 따르면, 제1 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1a,1a')의 경우 상부기판의 제1 유체채널(20a) 및 챔버(10a)는 유리 웨이퍼를 이용하여 제조되어 DNA 증폭 시료를 눈으로 관찰하기 쉽게 한다. 중간층은 냉각효과를 극대화하기 위해서 열전도성이 뛰어난 실리콘 웨이퍼에 가열기(40a) 및 센서(50a)가 내장된다. 그리고, 하부기판은 유리 또는 실리콘 웨이퍼를 이용하여 열 차단(heat-block) 및 열 발산(heat-sink)의 효과를 최대한 잘 나타내도록 제2 유체채널(30a 또는 30a')이 형성된다.According to one embodiment, in the case of the first type polymerase chain reaction chips 1a and 1a ', the first
도 5는 도 3a 및 도 3b의 제2 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1b,1b')의 다양한 실시예에 따른 마스크를 도시한 도면이다. 도 5의 (a)는 굴곡형 유체채널(meander-type micro-fluidic channel)을 가진 중합효소 연쇄반응 칩의 마스크를 도시한 도면이고, 도 5의 (b)는 챔버형 유체채널(chamber-type micro-fluidic channel)을 가진 중합효소 연쇄반응 칩의 마스크를 도시한 도면이다.FIG. 5 illustrates a mask according to various embodiments of the second type polymerase
일 실시예에 따르면, 제2 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1b,1b')의 경우 중간층 의 챔버(10b)는 열전도성이 뛰어난 실리콘으로 제조되고, 상부기판의 제1 유체채널(20b)은 챔버(10b)에 들어가는 시료를 눈으로 쉽게 관찰하기 위하여 유리 웨이퍼에 제조되며 또한 가열기(40b)와 센서(50b)가 상부기판에 집적화된다. 하부기판은 제1 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1a,1a')와 동일하게 제조된다. According to one embodiment, in the case of the second type polymerase
도 6은 제1 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1a,1a')의 제조 공정도이다.6 is a manufacturing process chart of the first type polymerase chain reaction chips 1a and 1a '.
도 6을 참조하면, 제1 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1a,1a')의 하부기판(Bottom glass/silicon) 제조를 위해 우선 실리콘 또는 유리 재질의 웨이퍼(601)를 초기 세척(Initial Cleaning)한다(602).Referring to FIG. 6, first, an initial cleaning of a silicon or
이어서, 세척된 실리콘 또는 유리 재질의 웨이퍼에 포토레지스트(photoresist)를 라미네이팅(laminating)한다(603). 이때 일 실시예에 따르면 웨이퍼에 드라이 필름 레지스트(Dry Film resist, DFR)를 라미네이팅한다. DFR은 음성 포토레지스트의 일종으로 DFR을 이용하면 기존의 스핀 코팅 과정을 간단한 라미네이션(lamination) 과정으로 해결할 수 있기 때문에 품질개선, 비용절감, 시간절약의 면에서 효율적이다.Subsequently, a photoresist is laminated onto the cleaned silicon or glass wafer (603). In this case, according to an embodiment, a dry film resist (DFR) is laminated on the wafer. DFR is a kind of negative photoresist, and it is efficient in terms of quality improvement, cost reduction, and time saving because DFR can solve the existing spin coating process by simple lamination process.
그리고, 라미네이팅된 포토레지스트에 마스크를 씌운 후 노광(exposure) 및 현상(development) 공정을 통해 제2 유체채널(30a,30a')을 형성할 자리를 노출시킴에 따라 나노유체를 수용할 수 있는 제2 유체채널(30a,30a') 패턴을 형성한다(604). 노광 과정에는 I-Line UV 광원이 이용될 수 있다. 현상(development) 과정에는 D.I water 및 Na2Co3가 결합된 용액이 이용될 수 있다.After the mask is coated on the laminated photoresist, an agent capable of accommodating the nanofluid may be exposed by exposing a place for forming the second
이어서, 제2 유체채널(30a,30a')을 형성(605)하고, 제2 유체채널(30a,30a')용 패턴을 제거한다. 이때, 제2 유체채널(30a,30a')용 패턴 형성을 위해 DFR을 사용한 경우 DFR을 제거하고, 최종적으로 제2 유체채널(30a,30a')을 포함하는 하부기판이 완성된다. Subsequently, the second
최종적으로 형성된 하부기판은 후술할 상부기판과 결합(606)되어 제1 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1a,1a')으로 제조된다. 이때 상부기판 및 하부기판은 드라이 필름 레지스트(Dry Film Resist)을 이용한 폴리머 본딩(Polymer Bonding)을 통해 접합될 수 있다.The finally formed lower substrate is combined 606 with the upper substrate to be described later to manufacture the first type polymerase chain reaction chips 1a and 1a '. In this case, the upper substrate and the lower substrate may be bonded through polymer bonding using a dry film resist.
한편, 가열기(40a) 및 센서(50a)를 포함하는 중간층(Middle silicon) 제조를 위해 실리콘 웨이퍼를 CMP(Chemical mechanical polishing) 공정 처리(610)한 후, 초기 세척(Initial Cleaning)한다(611). 이때, 가열기(40a) 및 센서(50a) 제조를 위해, (100) 방향성을 갖는 P형 실리콘이 이용될 수 있다.Meanwhile, the silicon wafer is subjected to a chemical mechanical polishing (CMP)
이어서, 이방성 식각용액인 TMAH(tetramethylammonium hydroxide) 수용액을 이용하여 습식 식각을 하기(613) 전에, 습식 이방성 식각에 대한 선택적 식각 저지막을 형성시키기 위해 실리콘 웨이퍼를 산화로에 넣어 습식 산화 공정(Oxidation)을 거쳐 산화막을 형성시킨다(612).Subsequently, prior to wet etching using an aqueous solution of tetramethylammonium hydroxide (TMAH), which is an anisotropic etching solution, a silicon wafer is placed in an oxidizing furnace to form a selective etch stop layer for wet anisotropic etching. In
이어서, 산화막이 형성된 실리콘 웨이퍼에 TMAH 용액을 이용하여 습식 식각각을 수행하고, SiO2를 제거한다(SiO2 Removal)(614).Subsequently, wet etching is performed on the silicon wafer on which the oxide film is formed by using a TMAH solution, and SiO 2 is removed (SiO 2 removal) 614.
이어서, SiO2가 제거된 실리콘 웨이퍼에 산화막을 성장(615)시킨 후 백 금(Pt)/티타늄(Ti) 증착(evaporation)을 수행한다(616). 증착 공정을 위해 이온 빔 증착기(e-beam evaporation)가 사용될 수 있다. 백금(Pt)은 온도 저항 특성이 거의 일정하며 사용 온도 범위가 넓은 장점이 있다.Subsequently, after the oxide film is grown 615 on the silicon wafer from which SiO 2 has been removed, platinum (Pt) / titanium (Ti) evaporation is performed (616). An e-beam evaporation may be used for the deposition process. Platinum (Pt) has the advantage of almost constant temperature resistance and wide temperature range.
이어서, 포토 공정 후 가열기(40a) 및 센서(50a)를 패터닝(PR pattering)(617)한 후 백금(Pt) 및 티타늄(Ti)을 식각(Pt/Ti etching)(618)한다. 여기서 백금(Pt) 식각은 왕수(염산:질산=3:1)를 이용하고, 티타늄(Ti) 식각은 식각액(D.I water:불산:질산=50:1:1)를 이용할 수 있다.Subsequently, after the photo process, the
한편, 제1 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1a,1a')의 상부기판(Top glass) 제조를 위해 우선 유리 재질의 웨이퍼(631)를 초기 세척(Initial Cleaning)한다(632).Meanwhile, in order to manufacture the top glass of the first type polymerase chain reaction chips 1a and 1a ', first, the
이어서, 세척된 실리콘 또는 유리 재질의 웨이퍼에 포토레지스트(photoresist)를 라미네이팅(laminating)한다(633). 이때 일 실시예에 따르면 웨이퍼에 드라이 필름 레지스트(Dry Film resist, DFR)을 라미네이팅한다.Subsequently, a photoresist is laminated to the cleaned silicon or glass wafer (633). In this case, according to an embodiment, a dry film resist (DFR) is laminated on the wafer.
그리고, 라미네이팅된 포토레지스트에 마스크를 씌운 후 노광(exposure) 및 현상(development) 공정을 통해 제1 유체채널(20a) 및 챔버(10a)가 형성될 자리를 노출시킴에 따라 제1 유체채널(20a) 및 챔버(10a) 패턴을 형성한다(634). After the mask is coated on the laminated photoresist, the first
이어서, 제1 유체채널(20a) 및 챔버(10a)를 형성(635)하고, 제1 유체채널(20a) 및 챔버(10a)용 패턴을 제거한다. 이때, 제1 유체채널(20a) 및 챔버(10a)용 패턴 형성을 위해 DFR이 사용된 경우 DFR을 제거하고, 최종적으로 제1 유체채널(20a) 및 챔버(10a)를 포함하는 상부기판이 제조된다. Subsequently, the first
제조된 상부기판은 전술할 하부기판과 결합되어 중합효소 연쇄반응 칩(1a,1a')이 형성된다. 이때 하부기판 및 상부기판은 드라이 필름 레지스트(Dry Film Resist)을 이용한 폴리머 본딩(Polymer Bonding)을 통해 접합(636)될 수 있다.The prepared upper substrate is combined with the lower substrate described above to form polymerase chain reaction chips 1a and 1a '. In this case, the lower substrate and the upper substrate may be bonded 636 through polymer bonding using a dry film resist.
도 7은 제2 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1b,1b')의 제조 공정도이다.7 is a manufacturing process diagram of the second type polymerase
도 7을 참조하면, 제2 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1b,1b')의 하부기판(Bottom glass/silicon) 제조를 위해 우선 실리콘 또는 유리 재질의 웨이퍼(701)를 초기 세척(Initial Cleaning)한다(702).Referring to FIG. 7, first, an initial cleaning of a silicon or
이어서, 세척된 실리콘 또는 유리 재질의 웨이퍼에 포토레지스트(photoresist)를 라미네이팅(laminating)한다(703). 이때 일 실시예에 따르면 웨이퍼에 드라이 필름 레지스트(Dry Film resist, DFR)를 라미네이팅한다.Subsequently, photoresist is laminated to the cleaned silicon or glass wafer (703). In this case, according to an embodiment, a dry film resist (DFR) is laminated on the wafer.
그리고, 라미네이팅된 포토레지스트에 마스크를 씌운 후 노광(exposure) 및 현상(development) 공정을 통해 제2 유체채널(30b,30b')이 형성될 자리를 노출시킴에 따라 나노유체를 수용할 수 있는 제2 유체채널(30b,30b') 패턴을 형성한다(704). After the mask is coated on the laminated photoresist, an agent capable of accommodating the nanofluid may be exposed by exposing a place where the second
이어서, 제2 유체채널(30b,30b')을 형성(705)하고, 제2 유체채널(30b,30b')용 패턴을 제거한다. 이때, 제2 유체채널(30b,30b')용 패턴 형성을 위해 DFR이 사용된 경우 DFR을 제거하고 최종적으로 제2 유체채널(30b,30b')을 포함하는 하부기판이 형성된다. Subsequently, the second
최종적으로 형성된 하부기판은 후술할 상부기판과 결합(706)되어 제2 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1b,1b')으로 제조된다. 이때 상부기판 및 하부기판은 드라 이 필름 레지스트(Dry Film Resist)을 이용한 폴리머 본딩(Polymer Bonding)을 통해 접합될 수 있다.The finally formed lower substrate is combined with the upper substrate, which will be described later, to be manufactured as second type polymerase
한편, 챔버(10b)를 포함하는 중간층(Middle silicon) 제조를 위해 실리콘 웨이퍼를 CMP(Chemical mechanical polishing) 공정 처리(610)한 후, 초기 세척(Initial Cleaning)한다(711). 이때, 챔버(10b) 제조를 위해, (100) 방향성을 갖는 P형 실리콘이 이용될 수 있다.Meanwhile, the silicon wafer is subjected to a chemical mechanical polishing (CMP)
이어서, 이방성 식각용액인 TMAH(tetramethylammonium hydroxide) 수용액을 이용하여 습식 식각을 하기 전(714)에, 습식 이방성 식각에 대한 선택적 식각 저지막을 형성시키기 위해 실리콘 웨이퍼를 산화로에 넣어 습식 산화 공정(Oxidation)을 거쳐 산화막을 형성시킨다(713).Subsequently, prior to wet etching using an aqueous solution of tetramethylammonium hydroxide (TMAH), an anisotropic etching solution, a silicon wafer is placed in an oxidizing furnace to form a selective etch stopper for wet anisotropic etching (Oxidation). An oxide film is formed through (713).
이어서, 산화막이 형성된 실리콘 웨이퍼에 TMAH 용액을 이용하여 습식 식각을 수행(714)하고, SiO2를 제거(SiO2 Removal)(715)함에 따라 챔버(10b)를 포함하는 중간층(Middle silicon)이 형성된다.Then forming the intermediate layer (Middle silicon) comprising a chamber (10b), as do the wet etching using TMAH solution to the silicon wafer an oxide film is formed 714, and remove the SiO 2 (SiO 2 Removal) ( 715) do.
한편, 제2 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1b,1b')의 상부기판(Top glass) 제조를 위해 우선 유리 재질의 웨이퍼(730)를 초기 세척(Initial Cleaning)한다(731).Meanwhile, in order to manufacture the top glass of the second type polymerase
이어서, 세척된 유리 재질의 웨이퍼에 포토레지스트(photoresist)를 라미네이팅(laminating)한다(732). 이때 일 실시예에 따르면 웨이퍼에 드라이 필름 레지스트(Dry Film resist, DFR)를 라미네이팅한다.Subsequently, photoresist is laminated to the cleaned glass wafer (732). In this case, according to an embodiment, a dry film resist (DFR) is laminated on the wafer.
그리고, 라미네이팅된 포토레지스트에 마스크를 씌운 후 노광(exposure) 및 현상(development) 공정을 통해 제1 유체채널(20b)이 형성될 자리를 노출시킴에 따라 제1 유체채널(20b) 패턴을 형성한다(733). 이어서, 3차원 배선 공정을 위해서 가열기(40b) 및 센서(50b)의 패드 부분에 비아홀(via hole)을 형성한다(734). After the mask is coated on the laminated photoresist, the first
그리고, 제1 유체채널(20b)을 형성(735)하고, 제1 유체채널(20b)용 패턴을 제거한다. 여기서, 제1 유체채널(20b)용 패턴 형성을 위해 DFR이 사용된 경우 DFR을 제거한다.Then, the first
이어서, 비아홀 형성 과정(734)에서 형성된 비아홀에 디스팬스 장비를 이용하여 실버 패이스트(silver paste)를 채운다(736). 그리고, 백금(Pt)/티타늄(Ti) 증착(evaporation)을 수행한다(736). 증착 공정을 위해 이온 빔 증착기(e-beam evaporation)가 사용될 수 있다.Subsequently, the via hole formed in the via
이어서, 포토 공정 후 가열기(40b) 및 센서(50b)를 패터닝(PR pattering)(738)한 후 백금(Pt) 및 티타늄(Ti)을 식각(Pt/Ti etching)(739)함에 따라 가열기(40b) 및 센서(50b)가 형성된 중간층이 제조된다. 이때 백금(Pt) 식각은 왕수(염산:질산=3:1)를 이용하고, 티타늄(Ti) 식각은 식각액(D.I water:불산:질산=50:1:1)를 이용할 수 있다.Subsequently, after the photo process, the
최종적으로 형성된 상부기판은 전술한 하부기판과 결합(740)되어 제2 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1b,1b')으로 제조된다. 여기서 하부기판 및 상부기판은 드라이 필름 레지스트(Dry Film Resist)을 이용한 폴리머 본딩(Polymer Bonding)을 통해 접합될 수 있다.The upper substrate finally formed is combined with the
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 블라스터 공정을 이용한 제1 유체채널 제조 공정도이다.8 is a flowchart illustrating a first fluid channel manufacturing process using a micro blaster process according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 제1 유체채널(20a,20b) 제조를 위해 유리 재질의 웨이퍼에 포토레지스트(photoresist)를 라미네이팅(laminating)한다(800). 이때 일 실시예에 따르면 웨이퍼에 드라이 필름 레지스트(Dry Film resist, DFR)를 라미네이팅한다.Referring to FIG. 8, a photoresist is laminated on a
그리고, 포토 공정을 통해 제1 유체채널(20a,20b)을 정의(810)하고, 포토레지스트를 제거(820)한다. 이어서, 입구와 출구 형성을 위한 마이크로 블라스터 공정을 수행(830)하고, 제1 유체채널(20a,20b)용 패턴을 제거(840)한다. 이때, 제1 유체채널(20a,20b)용 패턴 형성을 위해 DFR이 사용된 경우 DFR을 제거한다.In addition, the first
도 9는 일 실시예에 따른 마이크로 블라스터 공정을 설명하기 위한 도면이다.9 is a diagram for describing a micro blaster process, according to an exemplary embodiment.
도 9를 참조하면, 마이크로 블라스터 공정을 이용하여 유리 웨이퍼 식각 시에 유리가 식각되지 않도록 보호막으로 DFR를 사용한다. 그리고, 도 9에 도시된 바와 같이 식각 공정을 진행한 후 마이크로 유체채널 및 마이크로 챔버를 형성한다.Referring to FIG. 9, a DFR is used as a protective layer to prevent the glass from being etched during the glass wafer etching using the micro blaster process. Then, as shown in Figure 9 after the etching process to form a microfluidic channel and a micro chamber.
이때 일 실시예에 따르면, 노즐의 이동속도는 10000p/s이고 분사압력은 400kPa이며, 노즐의 이동간격은 0.5mm로 설정할 수 있다. 전술한 마이크로 블라스터의 식각 조건을 토대로 하여 각각의 챔버들의 용량에 맞게 제조한다.At this time, according to one embodiment, the movement speed of the nozzle is 10000p / s, the injection pressure is 400kPa, the movement interval of the nozzle can be set to 0.5mm. Based on the etching conditions of the above-described micro blaster is prepared for the capacity of each chamber.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 실시예에 따른 유체채널을 도시한 도면이다.10 illustrates a fluid channel according to various embodiments of the present disclosure.
도 10의 (a)는 제1 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1a,1a')의 상부기판의 제1 유체채널(20a) 및 챔버(10a)를 도시한 것이다. 일 실시예에 따른 제1 유체채널(20a)은 너비가 200㎛이고 깊이가 300㎛이다.FIG. 10A illustrates the first
도 10의 (b)는 제2 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1b,1b')의 상부기판의 제1 유체채널(20b)을 도시한 것이다. 일 실시예에 따른 제1 유체채널(20b)은 너비가 200㎛이고 깊이가 150㎛이다. 입구의 길이는 6㎜이고, 출구의 길이는 5㎜로 제조할 수 있다.FIG. 10B shows the first
한편, 도 10의 (c) 및 도 10의 (d)는 하부기판의 제2 유체채널을 도시한 것이다. 도 10의 (c)에 도시된 제2 유체채널(30a,30b)은 굴곡형(meander type) 타입으로 너비 200㎛, 깊이 500㎛, 길이 32㎜이다. 도 10의 (d)에 도시된 제2 유체채널(30a',30b')은 챔버형 타입으로 너비 200㎛, 깊이 500㎛, 길이 40㎜이다.10 (c) and 10 (d) show second fluid channels of the lower substrate. The second
도 11은 일 실시예에 따른 DFR에 의한 패턴 보호로 식각된 유체채널의 단면을 주사전자 현미경으로 촬영한 도면이다.FIG. 11 is a view taken by a scanning electron microscope the cross section of the fluid channel etched by the pattern protection by the DFR according to an embodiment.
도 11의 (a)는 상부기판의 제1 유체채널을 도시한 것이고, 도 11의 (b)는 하부기판의 굴곡형(meander type) 제2 유체채널을 도시한 것이며, 도 11의 (c)는 하부기판의 챔버형(chamber type) 제2 유체채널을 각각 도시한 것이다.FIG. 11A illustrates a first fluid channel of the upper substrate, and FIG. 11B illustrates a meander type second fluid channel of the lower substrate, and FIG. 11C. Are the chamber type second fluid channels of the lower substrate, respectively.
도 12는 일 실시예에 따른 TMAH 식각 기술을 이용한 챔버의 제조 공정도이다.12 is a flowchart illustrating a chamber manufacturing using a TMAH etching technique according to an embodiment.
도 12를 참조하면, 제2 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1b,1b')의 챔버(10b)의 제조를 위해 TMAH 식각 기술을 이용한다. 4주기의 암모늄 혼합물인 TMAH 수용액은 다른 실리콘 습식 식각에 사용될 수 있는 수용액들보다 독성이 적으며, 산화막에 대한 실리콘의 높은 선택비, 적정한 이방성 때문에 CMOS 공정과 호환이 가능한 집적화된 마이크로 머시닝기술에 사용하기 적합하다. Referring to FIG. 12, a TMAH etching technique is used to manufacture the
TMAH 용액을 이용한 실리콘 식각(1230)은 실리콘의 결정방향인 (100)면과 (111)면이 동시에 이루어지지만 측면인 (111) 결정면은 (100)결정면보다 400배 이상의 느린 식각률을 가진다. 따라서 두 면이 접하는 각도에 의해 약 54.74°의 결정면을 따라서 식각된다. In the
일 실시예에 따르면, 챔버의 제조를 위해서 두께 500㎛, 결정면이 (100)이고, 양면 폴리싱된 P형 실리콘 웨이퍼를 사용한다. 여기서, 실리콘 웨이퍼를 H2SO4:H2O2=4:1의 비율로 섞은 용액에 20분 이상 넣은 후, HF:DI water=10:1의 비율로 섞은 용액에 약 10초 동안 자연 산화막을 제거한 뒤 DI water로 세척을 한다. According to one embodiment, a P-type silicon wafer having a thickness of 500 μm, a crystal plane of (100) and a double-side polished is used for fabricating the chamber. Here, the silicon wafer is placed in a mixed solution of H 2 SO 4 : H 2 O 2 = 4: 1 or more for 20 minutes, and then in a mixed solution of HF: DI water = 10: 1 for about 10 seconds. Remove and wash with DI water.
TMAH 용액을 이용하여 습식 식각(1230)을 하기 전에 습식 이방성 식각에 대한 선택적 식각 저지막을 형성시키기 위해 웨이퍼를 산화로에 넣어 1100℃에서 3시간 동안 습식 산화 공정을 거쳐 약 1㎛ 정도의 산화막을 형성(1200)시킨다.Before
그리고, 웨이퍼의 양면에 포토레지스트(AZ1512 PR)를 코팅하고, 포토 공정을 실시하여 챔버 영역을 정의한다(1210).The photoresist AZ1512 PR is coated on both surfaces of the wafer, and a photo process is performed to define a chamber region (1210).
이어서, BOE(Buffed Oxide Etch)를 이용하여 실리콘 웨이퍼 면이 드러날 때까지 산화막을 식각한다. 식각이 완료된 웨이퍼를 아세톤 용액에 넣어 PR을 제거(1220)한 뒤, 정의된 영역은 제조할 챔버에 용량에 맞게 20wt%, 85℃ TMAH 수용 액에 넣어 챔버를 형성한다(1230). 또한 실리콘에 의한 열손실을 최대한 줄이기 위해서 챔버 주위의 실리콘을 뒷면 식각을 통해서 제거한다. Subsequently, the oxide film is etched using BOE (Buffed Oxide Etch) until the silicon wafer surface is exposed. After removing the PR by inserting the etched wafer into the acetone solution (1220), the defined region is placed in a 20 wt%, 85 ° C. TMAH receiving solution to form a chamber (1230). In addition, silicon around the chamber is removed by back etching to minimize heat loss caused by silicon.
식각 저지막으로 사용된 산화막을 HF 용액에 넣어 제거(1240)한 후 절연막 형성을 위해 다시 산화로에 넣어 1㎛ 두께의 산화막을 형성시킨다(1250). The oxide film used as the etch stop film is removed by putting it in an HF solution (1240), and then, an oxide film having a thickness of 1 μm is formed in an oxide furnace again to form an insulating film (1250).
도 13은 도 12의 TMAH 식각을 통해 형성된 챔버의 식각 형태와 챔버의 단면 및 챔버의 외면을 도시한 도면이다.FIG. 13 is a view illustrating an etching form, a cross section of the chamber, and an outer surface of the chamber formed through the TMAH etching of FIG. 12.
도 13의 (a)는 (100) 웨이퍼의 식각 형태를 도시한 것이고, 도 13의 (b)는 중합효소 연쇄반응 칩의 챔버의 단면을 도시한 것이다. 또한 도 13의 (c)는 챔버의 외면을 도시한 것이다.FIG. 13A illustrates an etching form of the (100) wafer, and FIG. 13B illustrates a cross section of the chamber of the polymerase chain reaction chip. In addition, Figure 13 (c) shows the outer surface of the chamber.
도 14는 다양한 실시예에 따라 제조된 가열기 및 센서를 도시한 도면이다.14 is a diagram illustrating a heater and a sensor manufactured according to various embodiments.
도 14의 (a)는 제1 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1a,1a')의 가열기(40a) 및 센서(50a)를 도시한 도면이고, 도 14의 (b)는 제2 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1b,1b')의 가열기(40b) 및 센서(50b)를 도시한 도면이다.FIG. 14A shows a
제1 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1a,1a')의 경우 중간층인 실리콘 웨이퍼에 가열기(40a) 및 센서(50a)를 제조한다. 일 실시예에 따르면, 먼저 나노유체의 열 차단(heat-block) 및 열 발산(heat-sink) 효과를 보기 위해서 중간층 실리콘 웨이퍼를 CMP(chemical mechanical polishing) 공정 후 250㎛ 두께의 웨이퍼에 산화막을 성장한 후 이온 빔 증착기를 이용하여 Ti 300Å/ Pt 2000Å를 증착한다. 포토 공정 후 가열기(40a) 및 센서(50a)를 패터닝 후 왕수(염산:질산=3:1)를 이용하여 Pt를 식각함에 따라 가열기(40a) 및 센서(50a)를 형성한다. 그리고 Ti는 식각 액(D.I :불산:질산=50:1:1)을 이용하여 제거한다. In the case of the first type polymerase chain reaction chips 1a and 1a ', a
한편, 제2 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1b,1b')의 경우 상부기판의 재질인 유리 웨이퍼에 가열기(40b) 및 센서(50b)를 제조한다. 이때 전술한 제1 타입 중합효소 연쇄반응 칩(1a,1a')과 동일하게 Ti/Pt를 증착하여 가열기(40b) 및 센서(50b)를 제조한다. 그리고 마이크로 블라스터 공정을 통해 비아 홀(via hole)을 형성하고, 디스팬스 장비를 이용하여 실버 페이스트(silver paste)를 채워 아래 부분과 윗부분 바로 연결되도록 제조한다. Meanwhile, in the case of the second type polymerase
도 15는 일 실시예에 따라 DFR 접합을 통해 제조된 중합효소 연쇄반응 칩을 도시한 도면이다. 도 15의 (a)는 제1 타입 중합효소 연쇄반응 칩을 도시한 것이고, 도 15의 (b)는 제2 타입 중합효소 연쇄반응 칩을 도시한 것이다.FIG. 15 illustrates a polymerase chain reaction chip prepared through DFR conjugation according to an embodiment. Figure 15 (a) shows a first type polymerase chain reaction chip, Figure 15 (b) shows a second type polymerase chain reaction chip.
도 15의 (a) 및 (b)를 참조하면, 세 부분으로 각각 제조된 부분들에 저온 접합 공정이 가능한 DFR을 이용한 폴리머 접합을 시행한다. 일 실시예에 따르면, CMP 공정 후 하판기판 유리에 DFR을 라미네이션 후 1MPa 압력의 90℃ 온도로 30분간 하판기판, 중간층, 상부기판을 접합한다. 이어서, 제조된 중합효소 연쇄반응 칩을 PCB 기판에 붙이고 와이어 본딩(wire bonding)을 수행한다. Referring to (a) and (b) of FIG. 15, polymer bonding using DFR, which enables a low temperature bonding process, is performed on each of the three parts. According to an embodiment, after laminating the DFR to the lower substrate glass after the CMP process, the lower substrate, the intermediate layer, and the upper substrate are bonded at a temperature of 90 ° C. at a temperature of 1 MPa for 30 minutes. Subsequently, the prepared polymerase chain reaction chip is attached to the PCB substrate and wire bonding is performed.
도 15를 참조하면, 유체채널이 지나갈 입구(inlet hole) 및 출구(outlet hole)를 형성하기 위하여 우선 틀에 고정 핀과 실리콘 튜브(silicon tube)를 부착한다. 그리고, PDMS(Polydimethylsiloxane) 및 촉매제(catalyst)를 10:1로 섞은 PDMS 용액을 붓고 70℃에서 4시간 동안 경화(curing) 과정을 거친다. 제조된 입 구(inlet hole) 및 출구(outlet hole) 부분은 O2 플라즈마 처리(plasma treatment) 장비를 이용하여 접합하고자 하는 두 면을 플라즈마 처리 후 유체채널 부분에 접합한다. 그 후 와이어 본딩 부분을 보호하기 위해서 실리콘 고무(silicon rubber)로 코딩한다. Referring to FIG. 15, a fixing pin and a silicon tube are first attached to the mold to form an inlet hole and an outlet hole through which the fluid channel will pass. Then, the PDMS solution mixed with PDMS (Polydimethylsiloxane) and a catalyst (catalyst) in 10: 1 is poured and cured at 70 ° C. for 4 hours. The prepared inlet hole and the outlet hole are bonded to two surfaces to be bonded to the fluid channel part after the plasma treatment by using an O 2 plasma treatment equipment. It is then coded with silicon rubber to protect the wire bonding portion.
도 16은 일 실시예에 따라 나노유체가 흐르는 제2 유체채널까지 연결된 중합효소 연쇄반응 칩을 도시한 도면이다.16 is a diagram illustrating a polymerase chain reaction chip connected to a second fluid channel through which a nanofluid flows.
도 17 내지 도 20은 TiO2 나노유체를 통한 마이크로 중합효소 연쇄반응 칩의 열적 특성을 설명하기 위한 도면이다.17 to 20 are diagrams for explaining the thermal characteristics of the micro polymerase chain reaction chip through the TiO 2 nanofluid.
일 실시예에 따르면, TiO2 나노유체를 중합효소 연쇄반응 칩(1)의 열 차단제(heat-block) 및 열 발산제(heat-sink)로 이용한다. 일 실시예에 따른 열적 특성 분석을 위해 유동해석이 가능한 전산유체 프로그램인 CFD-ACE+를 이용할 수 있다. 열 해석 시뮬레이션은 온도 상승에 의한 열 분포를 기본으로 하기 때문에 정상 상태의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 하여 과도 상태의 시뮬레이션을 시행한다. 따라서 전술한 열적 특성 분석에서도 온도 상승에 대한 나노유체의 유동에 의한 영향을 바탕으로 하여 냉각일 경우에 대한 영향에 대하여 분석한다. According to one embodiment, TiO 2 nanofluid is used as a heat-block and heat-sink of the polymerase
일 실시예에 따르면, 중합효소 연쇄반응 칩의 열 분포를 분석하기 위하여 가열기 부분이 94℃까지 올라갈 때의 중합효소 연쇄반응 칩의 온도변화를 과도 상태 분석으로 열 분포를 확인한다. 이때 총 분석 스텝 수는 2500번, 시간 스텝은 0.0001초로 분석한다. According to one embodiment, in order to analyze the heat distribution of the polymerase chain reaction chip, the heat distribution is confirmed by transient state analysis of the temperature change of the polymerase chain reaction chip when the heater portion goes up to 94 ° C. The total analysis step number is 2500 times and the time step is 0.0001 seconds.
도 17은 굴곡 형태(meander type) 실리콘 제2 유체채널을 가지는 중합효소 연쇄반응 칩의 열 분포도(a) 및 칩 단면의 온도(b)를 보여준 도면이고, 도 18은 굴곡 형태(meander type) 유리 제2 유체채널을 가지는 중합효소 연쇄반응 칩의 열 분포도(a) 및 칩 단면의 온도(b)를 보여준 도면이다.FIG. 17 is a view showing a thermal distribution (a) and a temperature (b) of a cross section of a polymerase chain reaction chip having a meander type silicon second fluid channel, and FIG. 18 is a meander type glass A diagram showing the heat distribution (a) and the temperature (b) of the cross section of the polymerase chain reaction chip having a second fluid channel.
도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 제2 유체채널이 굴곡 형태(meander type)인 경우, 실리콘 제2 유체채널에 나노유체를 흘릴 때 유리 제2 유체채널에 나노유체를 흘릴 때보다 더 낮은 온도 분포를 나타낸다.As shown in Figs. 17 and 18, when the second fluid channel is of the meander type, the flow of nanofluid into the silicon second fluid channel is lower than that of flowing nanofluid into the glass second fluid channel. Temperature distribution.
한편, 도 19는 챔버 형태(chamber type)의 실리콘 제2 유체채널을 가지는 중합효소 연쇄반응 칩의 열 분포도(a) 및 칩 단면의 온도(b)를 보여준 도면이고, 도 20은 챔버 형태(chamber)의 유리 제2 유체채널을 가지는 중합효소 연쇄반응 칩의 열 분포도(a) 및 칩 단면의 온도(b)를 보여준 도면이다.On the other hand, Figure 19 is a view showing the thermal distribution (a) and the temperature of the cross-section (b) of the polymerase chain reaction chip having a chamber-type silicon second fluid channel (b), Figure 20 is a chamber (chamber) The heat distribution diagram (a) and the temperature (b) of the chip cross section of the polymerase chain reaction chip having the free second fluid channel of).
도 19 및 도 20에 도시된 바와 같이, 제2 유체채널이 챔버 형태(chamber type)인 경우, 실리콘 제2 유체채널에 나노유체를 흘릴 때 유리 제2 유체채널에 나노유체를 흘릴 때보다 더 낮은 온도 분포를 나타낸다.As shown in FIGS. 19 and 20, when the second fluid channel is chamber type, the flow of nanofluid into the silicon second fluid channel is lower than the flow of nanofluid into the glass second fluid channel. Temperature distribution.
도 17 내지 도 20에 도시된 바와 같이, 총 4가지 타입(굴곡형 실리콘/유리 제2 유체채널, 챔버형 실리콘/유리 제2 유체채널)의 시뮬레이션 결과를 비교해 보면 실리콘을 제2 유체채널로 사용하고 제2 유체채널 타입은 챔버형일 때 더 낮은 온도 분포를 나타낸다.As shown in FIGS. 17 to 20, when comparing simulation results of four types (flexible silicon / glass second fluid channel and chamber-type silicon / glass second fluid channel), silicon is used as the second fluid channel. And the second fluid channel type exhibits a lower temperature distribution when it is chambered.
과도 상태 분석 결과를 나노유체 중합효소 연쇄반응 칩에 적용할 경우 칩의 히팅과 쿨링에 적용할 수 있다. 중합효소 연쇄반응 칩의 가열 시에는 나노유체의 유동이 없도록 제어한다. 실리콘의 높은 열 전도율(168W/m·K) 때문에 열 손실이 발생할 수 있다. 그러나, 일 실시예에 따르면 나노유체의 열 전도율(0.611W/m·K)이 실리콘보다 훨씬 낮으므로 나노유체가 열 차단(heat-block) 역할을 한다. 따라서, 열 손실을 방지할 수 있다. 한편, 나노유체에 유동을 가하면 도 17 내지 도 20에 도시된 바와 같이 중합효소 연쇄반응 칩의 냉각 시에 나노유체가 열 발산(heat-sink) 역할을 함에 따라 온도를 더욱 더 빨리 떨어뜨릴 수 있다.The transient analysis results can be applied to the heating and cooling of the chip when applied to the nanofluid polymerase chain reaction chip. The heating of the polymerase chain reaction chip is controlled so that there is no flow of the nanofluid. Heat loss can occur due to the high thermal conductivity of silicon (168 W / mK). However, according to one embodiment, the nanofluid serves as a heat-block because the thermal conductivity (0.611 W / m · K) of the nanofluid is much lower than that of silicon. Therefore, heat loss can be prevented. On the other hand, if the flow to the nanofluid as shown in Figure 17 to 20 as the nanofluid acts as a heat-sink (heat-sink) during the cooling of the polymerase chain reaction chip can lower the temperature even more quickly. .
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The embodiments of the present invention have been described above. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope will be construed as being included in the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 칩을 도시한 도면,1 is a view showing a polymerase chain reaction chip according to an embodiment of the present invention,
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 칩의 단면도,2a and 2b is a cross-sectional view of the polymerase chain reaction chip according to an embodiment of the present invention,
도 3a 및 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 칩의 단면도,Figure 3a and 3b is a cross-sectional view of the polymerase chain reaction chip according to another embodiment of the present invention,
도 4는 도 2a 및 도 2b의 제1 타입 중합효소 연쇄반응 칩의 다양한 실시예에 따른 마스크(mask)를 도시한 도면,4 is a diagram illustrating a mask according to various embodiments of the first type polymerase chain reaction chip of FIGS. 2A and 2B;
도 5는 도 3a 및 도 3b의 제2 타입 중합효소 연쇄반응 칩의 다양한 실시예에 따른 마스크를 도시한 도면,FIG. 5 illustrates a mask according to various embodiments of the second type polymerase chain reaction chip of FIGS. 3A and 3B;
도 6은 제1 타입 중합효소 연쇄반응 칩의 제조 공정도,6 is a manufacturing process chart of the first type polymerase chain reaction chip,
도 7은 제2 타입 중합효소 연쇄반응 칩의 제조 공정도,7 is a manufacturing process chart of the second type polymerase chain reaction chip,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 블라스터 공정을 이용한 제1 유체채널 제조 공정도,8 is a process diagram of manufacturing a first fluid channel using a micro blaster process according to an embodiment of the present invention;
도 9는 일 실시예에 따른 마이크로 블라스터 공정을 설명하기 위한 도면,9 is a view for explaining a micro blaster process according to an embodiment;
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 실시예에 따른 유체채널을 도시한 도면,10 illustrates a fluid channel according to various embodiments of the present disclosure.
도 11은 일 실시예에 따른 DFR에 의한 패턴 보호로 식각된 유체채널의 단면을 주사전자 현미경으로 촬영한 도면,11 is a cross-sectional view taken through a scanning electron microscope of a fluid channel etched by the pattern protection by the DFR according to an embodiment,
도 12는 일 실시예에 따른 TMAH 식각 기술을 이용한 챔버의 제조 공정도,12 is a manufacturing process diagram of a chamber using a TMAH etching technology, according to an embodiment
도 13은 도 12의 TMAH 식각을 통해 형성된 챔버의 식각 형태와 챔버의 단면 및 챔버의 외면을 도시한 도면,FIG. 13 is a view illustrating an etching form of a chamber formed through the TMAH etching of FIG. 12, a cross section of the chamber, and an outer surface of the chamber;
도 14는 다양한 실시예에 따라 제조된 가열기 및 센서를 도시한 도면,14 is a view illustrating a heater and a sensor manufactured according to various embodiments;
도 15는 일 실시예에 따라 DFR 접합을 통해 제조된 중합효소 연쇄반응 칩을 도시한 도면,FIG. 15 illustrates a polymerase chain reaction chip prepared through DFR conjugation according to an embodiment.
도 16은 일 실시예에 따라 나노유체가 흐르는 제2 유체채널까지 연결된 중합효소 연쇄반응 칩을 도시한 도면,16 is a diagram illustrating a polymerase chain reaction chip connected to a second fluid channel through which a nanofluid flows, according to an embodiment;
도 17 내지 도 20은 TiO2 나노유체를 통한 마이크로 중합효소 연쇄반응 칩의 열적 특성을 설명하기 위한 도면이다.17 to 20 are diagrams for explaining the thermal characteristics of the micro polymerase chain reaction chip through the TiO 2 nanofluid.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1, 1a, 1a', 1b, 1b' : 중합효소 연쇄반응 칩 1, 1a, 1a ', 1b, 1b': polymerase chain reaction chip
10, 10a, 10b : 챔버 20, 20a, 20b : 제1 유체채널10, 10a, 10b:
30, 30a, 30a', 30b, 30b' : 제2 유체채널30, 30a, 30a ', 30b, 30b': second fluid channel
40 : 가열기 50 : 센서40: heater 50: sensor
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