KR20120046392A - 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법 - Google Patents

생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20120046392A
KR20120046392A KR1020100108008A KR20100108008A KR20120046392A KR 20120046392 A KR20120046392 A KR 20120046392A KR 1020100108008 A KR1020100108008 A KR 1020100108008A KR 20100108008 A KR20100108008 A KR 20100108008A KR 20120046392 A KR20120046392 A KR 20120046392A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
processing
metal pattern
microchannel
nano
base material
Prior art date
Application number
KR1020100108008A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101201106B1 (ko
Inventor
이상현
Original Assignee
이상현
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 이상현 filed Critical 이상현
Priority to KR1020100108008A priority Critical patent/KR101201106B1/ko
Priority to PCT/KR2011/008084 priority patent/WO2012060576A2/ko
Publication of KR20120046392A publication Critical patent/KR20120046392A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101201106B1 publication Critical patent/KR101201106B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3271—Amperometric enzyme electrodes for analytes in body fluids, e.g. glucose in blood
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/0006—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring taking account of the properties of the material involved
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
    • B23K26/53—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece for modifying or reforming the material inside the workpiece, e.g. for producing break initiation cracks
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/027—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34
    • H01L21/0271—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34 comprising organic layers
    • H01L21/0273—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34 comprising organic layers characterised by the treatment of photoresist layers
    • H01L21/0274—Photolithographic processes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/027—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34
    • H01L21/0271—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34 comprising organic layers
    • H01L21/0273—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34 comprising organic layers characterised by the treatment of photoresist layers
    • H01L21/0274—Photolithographic processes
    • H01L21/0275—Photolithographic processes using lasers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
    • B23K2103/56—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26 semiconducting

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

본 발명은 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 모재 내부에 금속패턴을 형성하고 팸토초 레이저를 이용하여 모재와 금속패턴을 동시에 가공함으로써, 미세전극이 미세채널에 정확하고 정교하게 형성될 수 있도록 하며, 금속패턴만을 펨토초 레이저 나노표면 가공법으로 추가 가공함으로써 더욱 정교한 나노 스케일 수준의 금속패턴을 얻을 수 있고 이를 통해 100 나노미터 이하의 나노 스케일 미세전극을 얻을 수 있으며 미세전극과 미체채널 간 나노미터 수준의 정확도를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 가공 프로세스를 간결화할 수 있는 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 (a) 제1 모재의 표면에 금속패턴을 형성하는 단계; (b) 상기 금속패턴이 형성된 상기 제1 모재의 상부에 제2 모재를 결합하는 단계; 및 (c) 상기 금속패턴과 상기 모재를 펨토초 레이저로 동시에 가공함으로써 미세채널과 미세전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법을 제공한다.

Description

생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법{Method for making nano scale electrode in biochemical analyzing chip}
본 발명은 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 모재 내부에 금속패턴을 형성하고 팸토초 레이저를 이용하여 모재와 금속패턴을 동시에 가공함으로써, 미세전극이 미세채널에 정확하고 정교하게 형성될 수 있도록 하며, 금속패턴만을 펨토초 레이저 나노표면 가공법으로 추가 가공함으로써 더욱 정교한 나노 스케일 수준의 금속패턴을 얻을 수 있고 이를 통해 100 나노미터 이하의 나노 스케일 미세전극을 얻을 수 있으며 미세전극과 미체채널 간 나노미터 수준의 정확도를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 가공 프로세스를 간결화할 수 있는 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법에 관한 것이다.
바이오 분야, 전기전자분야 및 나노가공분야 기술의 눈부신 발전에 힘입어 생체물질을 분석하기 위한 생화학 분석칩에 관한 연구가 활발하다. 생화학 분석칩은 일반적으로 유리재질의 모재에 금속 패턴을 형성하고, 상판을 결합시키는 방식으로 제조되고 있다.
이러한 금속 패턴을 형성하기 위해서는 반도체 공정에 널리 사용되는 리소그래피 공정을 사용하게 된다. 그러나, 리소그래피 공정을 생화학 분석칩의 제조에 활용할 경우, 일반적인 반도체 제조공정과는 달리 두 개 이상의 층을 물리적으로 본딩하여 미세채널을 형성해야 하는 등 추가적인 공정을 필요로 하기 때문에 나노 수준의 미세전극을 생화학 칩 내부에 형성하는 것이 매우 어려운 작업이 된다.
리소그래피 공정에 의해 금속패턴을 형성하고 이를 미세전극으로 가공하게 되면 미세전극과 미세채널의 두께는 나노 스케일로 조절할 수 있다 하더라도 폭이나 길이 등 형태는 마이크로 수준인 미세전극을 갖게 된다. 왜냐하면 마스크 제작과 노광이 마이크로 수준에서 이루어지기 때문이다.
이와 같이 리소그래피 방식은 근본적으로 삼차원 구조의 가공에 제약이 있으며, 이는 다층구조를 통해 어느 정도는 해결할 수 있으나, 반도체와 달리 진정한 삼차원 구조의 필요성이 있는 생화학 분석 분야의 요구를 충족할 수 없는 한계가 있다.
한편, 삼차원 구조 제작의 한계를 극복하기 위한 한 가지 방법으로 최근 펨토초 레이저 가공법이 주목을 받고 있다. 펨토초 레이저 가공법에 의하면 레이저의 초점이 움직이는 경로를 따라 모재 내부에서 삼차원의 구조를 만들 수 있다.
그러나, 미세전극이 없는 이러한 삼차원 나노 구조물만으로는 효과적인 전기 운동학적 유동제어와 분석 및 측정을 수행하는 데 한계가 있어, 본격적인 생화학 분석칩의 개발에 제약이 따른다. 이러한 한계를 극복하기 위해서는 삼차원 나노 구조에 미세전극을 동시에 형성시키는 가공법의 개발 필요성이 대두된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 미세전극이 미세채널에 정확하고 정교하게 형성될 수 있도록 하고, 더욱 정교한 나노 스케일 수준의 금속패턴을 얻을 수 있음으로써 100 나노미터 이하의 나노 스케일 미세전극을 얻을 수 있으며, 다양한 형태의 미세전극을 미세채널의 벽에 형성할 수 있고 미세전극의 개수도 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 미세전극과 미세채널의 위치관계를 조절할 수 있고 전극와 유체의 접촉면을 보다 넓힐 수 있는 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법은 (a) 제1 모재의 표면에 금속패턴을 형성하는 단계; (b) 상기 금속패턴이 형성된 상기 제1 모재의 상부에 제2 모재를 결합하는 단계; 및 (c) 상기 금속패턴과 상기 모재를 펨토초 레이저로 동시에 가공함으로써 미세채널과 미세전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (c)단계에서 상기 미세채널의 가공방향은 상기 금속패턴에 대하여 수평방향일 수 있다.
또한, 상기 (c)단계에서 상기 펨토초 레이저의 가공높이를 조절함으로써 상기 미세전극이 상기 미세채널의 상부, 중앙, 하부 중 어느 하나의 위치에 놓이도록 가공할 수 있다.
또한, 상기 (a)단계와 상기 (b)단계 사이에 (a1) 펨토초 레이저를 이용하여 상기 금속패턴만을 선택적으로 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 (a1)단계에서 상기 금속패턴의 양단의 폭을 비대칭으로 가공함으로써, 상기 (c)단계에서 상기 미세채널의 양측에 형성되는 상기 미세전극의 폭이 서로 상이하도록 가공할 수 있다.
또한, 상기 (c)단계에서 상기 미세채널의 가공방향은 상기 금속패턴에 대하여 수직방향일 수 있다.
또한, 상기 (c)단계에서 상기 미세채널의 가공방향은 상기 금속패턴에 대하여 일정 각도로 기울어질 수 있다.
또한, 상기 (c)단계에서 상기 미세채널이 상기 금속패턴을 복수회 관통하도록 상기 미세채널을 가공할 수 있다.
또한, 상기 (c)단계에서 상기 미세채널을 U자 형태로 가공함으로써 복수개의 미세전극을 형성할 수 있다.
또한, 상기 (c)단계 이후에 (d) 상기 미세채널과 상기 미세전극을 후처리하여 상기 미세채널의 내경을 선택적으로 확장시킴으로써, 상기 미세채널 내부로 상기 미세전극이 돌출되도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면 모재 내부에 금속패턴을 형성하고 팸토초 레이저를 이용하여 모재와 금속패턴을 동시에 가공함으로써, 미세전극이 미세채널에 정확하고 정교하게 형성될 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 금속패턴만을 펨토초 레이저 나노표면 가공법으로 추가 가공함으로써 더욱 정교한 나노 스케일 수준의 금속패턴을 얻을 수 있고, 이를 통해 100 나노미터 이하의 나노 스케일 미세전극을 얻을 수 있으며, 미세전극과 미체채널 간 나노미터 수준의 정확도를 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 가공 프로세스가 매우 간결해지는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 펨토초 레이저 초점의 가공방향을 다양하게 변경시킴으로써 다양한 형태의 미세전극을 미세채널의 벽에 형성할 수 있으며, 미세전극의 개수도 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 펨토초 레이저의 가공높이를 조절하여 미세전극과 미세채널의 위치관계를 조절할 수 있고, 기 가공된 미세전극과 미세채널을 후처리하여 내부돌출 미세전극을 형성함으로써 전극와 유체의 접촉면을 보다 넓힐 수 있는 효과가 있다.
도 1은 리소그래피 공정을 이용하여 모재의 내부에 금속패턴을 형성하는 과정을 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펨토초 레이저를 이용한 금속패턴 추가가공 방법을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저를 이용한 미세채널 및 미세전극 가공방법을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 펨토초 레이저를 이용한 미세채널 및 미세전극 가공방법을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 펨토초 레이저를 이용한 미세채널 및 미세전극 가공방법을 설명하기 위한 도면,
도 6은 추가처리에 의해 돌출 미세전극을 형성하는 예를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
펨토초 레이저는 펄스 레이저의 일종으로, 펄스 폭이 펨토초(10-15초) 영역인 매우 파장이 짧은 레이저이다. 이러한 펨토초 레이저를 이용한 가공법에 의하면 펨토초 레이저를 이용하여 소재에 마이크로 미터에서 수백 나노미터의 해상도로 미세구조를 가공하는 기법으로, 자유로운 삼차원 가공이 가능하며 리소그래피 방식과 달리 청정실이 필요없고 본딩(bonding) 과정이 불필요하다.
생체 분석침 혹은 랩온어칩(Lab-On-a-Chip) 제조에서 전기운동학적 유체 구동과 전기화학적 센싱 등의 필수기능을 수행하도록 하기 위해서는 칩 내부의 정해진 위치에 전극을 설치하는 것이 필수적이다.
이러한 미세전극을 형성하기 위해서는 도 1에 도시된 바와 같은 리소그래피 방법을 이용하는 것이 일반적이다. 그러나, 일반적인 리소그래피 방법에 의하면 채널의 크기가 1 마이크로미터 이하인 미세구조에서 전극의 집적이 급격히 어려워지므로, 기술적 어려움이 있고 청정실 등의 제조시설의 규모나 정밀도가 엄격하므로 제조단가에도 큰 영향을 주게 된다.
본 발명에 따른 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법은 다음과 같은 과정을 통해 이루어진다.
첫째, 제1 모재의 표면에 금속패턴을 형성하고("제1 단계"), 둘째, 펨토초 레이저를 이용하여 금속패턴만을 선택적으로 가공한다("제2 단계"). 셋째, 금속패턴이 형성된 제1 모재에 제2 모재를 결합한 후("제3 단계"), 넷째, 금속패턴과 모재를 펨토초 레이저로 동시에 가공함으로써 미세채널과 미세전극을 형성한다("제4 단계"). 여기서, 제2 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있음을 밝혀둔다.
먼저, 도 1을 이용하여 제1 단계와 제3 단계에 대해 설명한다.
도 1은 리소그래피 공정을 이용하여 모재의 내부에 금속패턴을 형성하는 과정을 도시한 단면도이다. 이하에서는 유리 계열의 모재를 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
유리 계열의 모재(2) 상에 금속 레이어(1)를 화학적 증착법 등을 이용하여 형성하고, 마스크(3)를 이용하여 원하는 형상의 금속패턴(4, 5)을 형성한 후 상판 모재(6)를 결합하는 과정을 거치게 된다. 금속패턴의 형성시에 습식에칭법(wet-etching) 등의 방법을 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 과정에서는 마스크의 제작과 노광이 나노 수준에서 이루어지기 어렵기 때문에, 금속 패턴의 폭이나 길이를 나노 수준으로 하기 위해서 추가적으로 특수한 공정을 필요로 한다. 이를 해결하기 위한 방법으로, 도 2를 이용하여 제2 단계에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펨토초 레이저를 이용한 금속패턴 추가가공 방법을 설명하기 위한 도면이다.
펨토초 레이저 가공법은 레이저 초점의 에너지 강도가 물질의 밴드갭(band gap)을 넘게 되면 물질의 종류에 무관하게 레이저 초점에 놓인 물질을 비선형 광학적으로 파괴 및 절삭하는 특성을 가지고 있고, 나노 스케일까지 삼차원적 미세가공이 가능하다. 이를 이용하여 리소그래피 기반의 가공법을 이용하여 모재 내부에 원하는 디자인으로 금속패턴을 미리 형성시켜 놓고, 펨토초 레이저를 이용하여 금속 패턴만을 선택적으로 추가 가공한 후, 특정 형상으로 가공된 금속패턴과 모재를 동시에 가공함으로써 미세전극이 미세채널에 정확하고 정교하게 형성될 수 있도록 한다.
제1 단계를 통하여 모재의 표면에 금속패턴을 형성시킨 후, 금속패턴을 나노수준의 해상도로 추가적인 가공을 수행하기 위해 리소그래피 기반으로 형성된 금속패턴을 펨토초 레이저 나노표면 가공법으로 추가 가공함으로써 더욱 정교한 나노 스케일 수준의 금속패턴을 얻을 수 있다(제2 단계).
이와 같이 펨토초 레이저를 이용하여 금속패턴만을 선택적으로 추가 가공할 수 있는 것은 금속과 유리의 밴드갭(band gap) 차이 때문이다. 금속과 유리의 밴드갭 차이를 이용하여 금속패턴만을 선택적으로 가공하기 위해서는 펨토초 레이저의 강도를 조절할 필요가 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 금속에 비해 상대적으로 밴드갭이 훨씬 큰 유리는 가공되지 않고 금속만 가공되도록 펨토초 레이저의 강도를 조절함으로써, 모재는 가공되지 않고 금속패턴만을 선택으로 가공하는 것이다.
펨토초 레이저 나노표면 가공법에 의하면 100 나노미터 이하의 표면가공 해상도를 얻을 수 있기 때문에, 리소그래피 공정으로는 얻기 어려운 나노수준의 패턴을 용이하게 구현할 수 있게 된다.
다만, 나노 수준의 금속패턴을 필요로 하지 않는 경우에는 제2 단계를 생략하고 마이크로 수준의 금속패턴으로 제작할 수도 있음은 물론이다.
도 2(a)를 참조하면, 모재(10) 상에 대략 10 마이크로미터 수준의 금속패턴(12)이 형성되어 있다. 금속패턴의 해상도를 보다 향상시키기 위해서는 보다 정밀한 마스크와 노광 및 정렬 기법을 적용하여야 하나, 기술적인 문제점 이외에도 제조 단가에 큰 영향을 미치게 된다.
이에 대한 대안으로, 도 2(b)와 같이 펨토초 레이저 나노표면 가공법을 이용하여 나노 콤 전극(14)을 대략 100 나노미터 이하의 해상도로 용이하게 가공할 수 있다. 또한, 도 2(c)와 같이 뾰족한 팁을 가지면서 서로 대향하도록 형성된 나노 전극 쌍(16)을 대략 100 나노미터 이하의 해상도로 가공할 수도 있다.
이와 같이 금속패턴의 제작에도 펨토초 레이저 가공법을 이용하여 미세한 정밀 추가가공이 가능하기 때문에, 리소그래피 기법과 펨토초 레이저 나노표면 가공법을 적용하여 대략 100 나노미터 수준의 금속패턴을 용이하게 제작할 수 있다.
이와 같이 형성된 나노 금속전극 패턴들 상에 상부 모재를 결합하여 금속 패턴을 칩 내부에 바로 집적될 수도 있으나, 펨토초 레이저 나노머시닝을 활용하여 삼차원 형상을 갖는 나노 스케일의 미세채널을 추가적으로 가공함으로써, 보다 높은 활용도와 부가가치를 갖는 융합형 나노 미세전극 및 나노 미세채널을 구현할 수 있게 된다.
다음으로, 도 3 내지 도 5를 이용하여 제4 단계에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저를 이용한 미세채널 및 미세전극 가공방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 미세채널의 가공방향이 금속패턴에 대하여 수평방향을 이루는 예를 도시한 것이다. 도 3(a) 내지 도 3(c)에서 상측의 3개 도면은 평면도이고, 하측의 3개 도면은 수직 단면도이다.
제1 단계 내지 제3 단계를 통하여 모재 내부에 나노 스케일의 금속패턴을 형성한 후, 금속패턴이 포함된 모재를 펨토초 레이저 가공법으로 모재와 금속패턴을 동시에 가공하여 미세채널과 미세전극을 형성하는 제4 단계를 수행하게 된다.
준비된 모재를 펨토초 레이저 가공법으로 가공하면 금속과 유리가 동시에 가공되므로, 다양한 나노 수준의 미세전극들을 미세채널에 융합된 형태로 제조할 수 있다.
도 3(a)를 참조하면, 상대적으로 폭이 좁은 금속패턴(22), 상대적으로 폭이 넓은 금속패턴(24), 양단의 폭이 비대칭인 금속패턴(26)이 모재(20) 내부에 형성된 예가 도시되어 있다. 이때, 상대적으로 폭이 좁은 금속패턴(22)과 양단의 폭이 상이한 금속패턴(26)의 경우, 제2 단계의 가공방법을 이용하여 나노스케일로 형성할 수 있음은 상기에서 언급한 바와 같다.
편의상 도 3(a)의 하측 도면의 경우, 대표적으로 폭이 좁은 금속패턴(22)으로 도시되어 있으나, 폭이 넓은 금속패턴(24)과 비대칭 금속패턴(26)의 경우에도 동일하게 적용될 수 있음을 밝혀둔다. 좌우의 폭이 상이한 비대칭 금속패턴(26)을 형성할 경우 좌우 미세전극의 폭이 다른 미세전극 쌍이 만들어진다.
도 3(b)를 참조하면, 펨토초 레이저 가공법을 활용하여 모재와 금속패턴을 절삭하여 미세채널을 형성할 아웃라인(28)이 도시되어 있다.
도 3(c)를 참조하면, 도 3(b)의 아웃라인(28)을 따라 펨토초 레이저 가공법을 이용하여 모재(20)와 금속패턴(22, 24, 26)을 동시에 가공했을 때 형성되는 미세채널(30, 32, 34)과 미세전극의 형태가 도시되어 있다. 도 3(c)에서 미세채널(30, 32, 34)의 양측 단부에 미세전극이 정교하게 형성되어 있다.
또한, 펨토초 레이저의 가공높이를 조절하면 미세전극과 미세채널의 위치관계를 조절할 수 있다. 예컨대, 도 3(c)에 도시된 바와 같이 미세전극이 미세채널(30)의 중앙에 위치하도록 가공할 수 있음은 물론, 미세전극이 미세채널(32)의 하부에 위치하도록 가공하거나 미세전극이 미세채널(34)의 상부에 위치하도록 가공할 수도 있다.
미세전극의 최종 형상은 모재 내부에 형성된 금속패턴의 형상, 펨토초 레이저 초점의 에너지 분포 및 강도, 초점이 금속패턴들을 지나가는 방향과 각도 등에 따라 다양하게 결정될 수 있다. 이와 같이 모재와 금속패턴을 동시에 가공하게 되면 미세전극과 미체채널 간 나노미터 수준의 정확도를 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 가공 프로세스가 매우 간결해지는 장점이 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 펨토초 레이저를 이용한 미세채널 및 미세전극 가공방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 미세채널의 가공방향이 금속패턴에 대하여 수직방향을 이루는 예를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 미세채널(44)이 금속패턴(42)에 대하여 수직방향을 이루고 있다. 그 결과, 원형의 링 형상 미세전극(42)이 미세채널(44)의 벽면에 형성된다. 즉, 펨토초 레이저 초점이 금속패턴을 수직으로 관통할 경우 링 형상의 미세전극이 만들어질 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 펨토초 레이저를 이용한 미세채널 및 미세전극 가공방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 두 개 이상의 원형 미세전극이 미세채널을 따라 형성되는 실시예(도 5(a),(b))와, 타원형의 미세전극이 미세채널을 따라 형성되는 실시예(도 5(c))를 도시한 것이다.
미세채널이 금속패턴을 복수회 관통하도록 미세채널을 가공하면 복수개의 미세전극을 얻을 수 있다.
도 5(a)와 같이, 금속패턴(52)을 다층으로 적층하여 미세채널(50)을 가공하게 되면 미세채널(50)을 따라 복수의 원형 미세전극이 형성될 수 있다. 다만, 리소그래피 공정을 이용하여 다층의 적층모재를 가공하는 것은 기술적으로, 경제적으로 어려움이 따른다는 한계점이 있다.
도 5(b)와 같이, 금속패턴(56)을 수평 방향으로 복수개 형성한 후, 삼차원 펨토초 레이저 가공법을 이용하여 U자 형태로 미세채널(54)을 가공하면 복수개의 링 형상 미세전극을 미세채널을 따라 설치할 수 있다. 도 5(b)에서는 편의상 U자 형태의 미세채널을 예로 들어 도시하였으나, 미세채널의 가공방향을 변경하는 것이라면 어떤 형태의 미세채널도 가능하다.
도 5(c)는 금속패턴에 대한 미세채널 가공방향이 수평을 이루거나(도 3) 수직을 이루는 대신(도 4), 금속패턴에 대하여 비스듬한 각도로 기울어지게 가공함으로써 타원형의 미세전극을 형성한 예를 도시한 것이다. 도시되지 않았으나, 도 5(c)와 달리, 상부방향에서 하부방향으로 비스듬하게 미세채널을 형성하여 금속패턴을 관통한 후, 방향을 바꾸어 하부방향에서 상부방향으로 비스듬하게 미세채널을 형성하면 타원형의 미세전극이 복수개로 형성될 수 있다.
이와 같이 펨토초 레이저 초점의 가공방향을 다양하게 변경시킴으로써 다양한 형태의 미세전극을 미세채널의 벽에 형성할 수 있으며, 미세전극의 개수도 증가시킬 수 있다.
도 6은 추가처리에 의해 돌출 미세전극을 형성하는 예를 도시한 도면이다.
제4 단계를 통하여 미세채널과 미세전극을 형성하면 생화학 분석칩으로 활용할 수 있다. 한편, 제4 단계 이후 미세채널과 미세전극에 대하여 추가적으로 후처리를 수행하면 미세전극과 미세채널이 이루는 형상을 변경시킬 수 있다.
일례로, 도 6을 참조하면 모재(60) 내부에 형성된 미세채널(62)과 미세전극(64)을 후처리하여 미세채널(62)의 내경을 선택적으로 확장시킴으로써, 확장된 미세채널(66) 내부로 미세전극(64)이 돌출되도록 돌출부(68)를 구현할 수 있다. 이때, 플루오르화 수소(HF)를 이용하여 미세채널(62) 만을 선택적으로 식각하여 확장된 미세채널(66)을 형성할 수 있다. 이와 같은 돌출 미세전극은 전극와 유체의 접촉면을 보다 넓게 할 필요성이 있거나, 기능적으로 내부 돌출구조가 필요할 경우 매우 유용하게 활용할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 나노미터 수준을 포함하는 생화학 분석용 미세구조물과 분석칩 내부에 미세전극을 형성시키는 가공법에 관한 것으로, 특히 나노센서, 나노작동기, 단일세포 분석용 플랫폼, 바이오 신약 개발, 줄기세포 관련연구, DNA 분석분야 등에 광범위하게 적용될 수 있다.
10, 20, 40, 60 - 모재
12, 14, 16, 22, 24, 26, 42, 52, 56 - 금속패턴
30, 44, 50, 54, 58, 62 - 미세채널

Claims (10)

  1. (a) 제1 모재의 표면에 금속패턴을 형성하는 단계;
    (b) 상기 금속패턴이 형성된 상기 제1 모재의 상부에 제2 모재를 결합하는 단계; 및
    (c) 상기 금속패턴과 상기 모재를 펨토초 레이저로 동시에 가공함으로써 미세채널과 미세전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계에서 상기 미세채널의 가공방향은 상기 금속패턴에 대하여 수평방향인 것을 특징으로 하는 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 (c)단계에서 상기 펨토초 레이저의 가공높이를 조절함으로써 상기 미세전극이 상기 미세채널의 상부, 중앙, 하부 중 어느 하나의 위치에 놓이도록 가공하는 것을 특징으로 하는 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (a)단계와 상기 (b)단계 사이에
    (a1) 펨토초 레이저를 이용하여 상기 금속패턴만을 선택적으로 가공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (a1)단계에서 상기 금속패턴의 양단의 폭을 비대칭으로 가공함으로써, 상기 (c)단계에서 상기 미세채널의 양측에 형성되는 상기 미세전극의 폭이 서로 상이하도록 가공하는 것을 특징으로 하는 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계에서 상기 미세채널의 가공방향은 상기 금속패턴에 대하여 수직방향인 것을 특징으로 하는 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계에서 상기 미세채널의 가공방향은 상기 금속패턴에 대하여 일정 각도로 기울어진 것을 특징으로 하는 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계에서 상기 미세채널이 상기 금속패턴을 복수회 관통하도록 상기 미세채널을 가공하는 것을 특징으로 하는 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (c)단계에서 상기 미세채널을 U자 형태로 가공함으로써 복수개의 미세전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 (c)단계 이후에
    (d) 상기 미세채널과 상기 미세전극을 후처리하여 상기 미세채널의 내경을 선택적으로 확장시킴으로써, 상기 미세채널 내부로 상기 미세전극이 돌출되도록 하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법.




KR1020100108008A 2010-11-02 2010-11-02 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법 KR101201106B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100108008A KR101201106B1 (ko) 2010-11-02 2010-11-02 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법
PCT/KR2011/008084 WO2012060576A2 (ko) 2010-11-02 2011-10-27 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100108008A KR101201106B1 (ko) 2010-11-02 2010-11-02 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120046392A true KR20120046392A (ko) 2012-05-10
KR101201106B1 KR101201106B1 (ko) 2012-11-13

Family

ID=46024916

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100108008A KR101201106B1 (ko) 2010-11-02 2010-11-02 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101201106B1 (ko)
WO (1) WO2012060576A2 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102235753B1 (ko) * 2019-05-09 2021-04-05 경북대학교 산학협력단 레이저를 이용한 랩온어칩 제조 방법 및 제조 시스템

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3754337B2 (ja) * 2001-09-28 2006-03-08 株式会社クラレ 樹脂成形品の製造方法、樹脂成形品及び金型の製造方法
KR100724099B1 (ko) * 2005-10-25 2007-06-04 한국표준과학연구원 펨토초 레이저를 이용한 다중 마이크로채널을 가진미세유체 믹서장치의 제조방법 및 그 미세유체 믹서장치
US7744762B2 (en) * 2006-08-24 2010-06-29 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Microfluidic devices and methods facilitating high-throughput, on-chip detection and separation techniques
KR100966620B1 (ko) 2008-03-20 2010-06-29 광운대학교 산학협력단 무효소 바이오 센서 및 그 제조 방법
KR101022016B1 (ko) * 2008-08-25 2011-03-16 한국기계연구원 계층화 구조물 및 그 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR101201106B1 (ko) 2012-11-13
WO2012060576A2 (ko) 2012-05-10
WO2012060576A3 (ko) 2012-08-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7105812B2 (en) Microfluidic chip with enhanced tip for stable electrospray ionization
Menard et al. Fabrication of sub-5 nm nanochannels in insulating substrates using focused ion beam milling
Cheng et al. Nanofluidic diodes
CN107250772B (zh) 表面增强拉曼散射元件及其制造方法
US10094805B2 (en) Increasing the capture zone by nanostructure patterns
JP2014173935A (ja) 半導体マイクロ分析チップ及びその製造方法
Ostholt et al. High speed through glass via manufacturing technology for interposer
US9983169B2 (en) Integrated microfluidic circuit with electrowetting-based operation and corresponding microfluidic system
US20130161194A1 (en) Nanopore device, method of fabricating the same, and dna detection apparatus including the same
US20230192535A1 (en) Method for introducing a recess into a substrate
KR101203292B1 (ko) 나노 미세 기공의 가공방법
KR101201106B1 (ko) 생화학 분석칩 내부의 나노 미세전극 가공방법
US9651470B2 (en) Fluidic cell guidance for flow cytometry
Pfleging et al. Laser patterning and packaging of CCD-CE-Chips made of PMMA
US9791774B2 (en) Nanostencil mask and method for forming a nanostencil mask
JP2014173937A (ja) 半導体マイクロ分析チップ及び検体流動方法
Wang et al. Colloidal lithography-based fabrication of highly-ordered nanofluidic channels with an ultra-high surface-to-volume ratio
JP2006142242A (ja) マイクロ液体制御デバイス
WO2021151884A1 (de) Mems mit hohem aspektverhältnis
JP2009115692A (ja) マイクロ流体装置及びマイクロ流体装置の製造方法
Berry et al. Fabrication of suspended electrokinetic microchannels from directly written sacrificial polymer fibers
CN105923621B (zh) 一种利用电子束诱导淀积制备纳米管道的方法
JP2009025196A (ja) 微細流路構造体及び微細流路構造体の製造方法
Mazalan et al. Characterization of MEMS structure on silicon wafer using KrF excimer laser micromachining
JP6146645B2 (ja) 親水性制御素子及びその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161115

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171025

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180831

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190829

Year of fee payment: 8