KR20140081208A - 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서 제조방법 - Google Patents

대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 신규한 방법으로 나노 크기의 웰 어레이 구조를 재현성 있게 구현하여 생체물질의 검출 감도, 선택성 및 신뢰성을 개선할 수 있는 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 좁은 영역에 고집적된 나노 크기의 웰 어레이 구조를 균일하고 재현성 있게 구현할 수 있다. 이에 의하여 다양한 효소, 단백질, DNA 등 생체분자 및 생체물질의 검출 감도(sensitivity)와 선택성(selectivity), 신뢰성(reliability)이 크게 향상된 바이오센서의 제조가 가능하다. 또한 본 발명에 따르면 종래기술과 달리 6인치 (지름 150mm) 이상의 대면적 기판으로 양산할 수 있어 상용화 가능성이 높다.

Description

대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서 제조방법{FABRICATING METHOD FOR NANOWELL ARRAY BIOSENSOR ON A LARGE SIZED SUBSTRATE}
본 발명은 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 신규한 방법으로 나노 크기의 웰 어레이 구조를 재현성 있게 구현하여 생체물질의 검출 감도, 선택성 및 신뢰성을 개선할 수 있는 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서 제조방법에 관한 것이다.
최근 의료, 환경, 식품, 군사 등에 대한 관심의 증가 때문에 생체분자, 생체물질 등을 언제 어디서나 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 바이오센서(biosensor)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 바이오센서에 대한 수요가 가장 많은 분야는 의료부문으로서, 의료용 바이오센서는 현재는 물론이고 향후에도 바이오센서 산업성장의 견인차 역할을 수행할 것으로 예상된다. 현재 의료용 센서는 전체 센서 시장에서 11%를 차지하고 있으며, 이는 화학센서 49%, 초음파센서 25%, 바이오센서 9%, 압력센서 7%, 온도센서 6% 및 기타센서로 사용되고 있다. 바이오센서는 의료용으로 85~90%가 사용되고 있으며, 의료용 중에서도 혈당센서가 90% 정도를 차지하고 있다.
여러 가지 형태의 바이오센서 중에서 전기화학 센서는 정확하고, 빠르며 경제적이라는 점, 소형화가 용이하고, 간단한 측정 장치로 넓은 범위의 신호(전류)를 측정할 수 있다는 점에서 가장 주목을 받고 있다. 이러한 전기화학 센서의 기본적 장점에 빠른 검출 및 낮은 검출한계(detection limit)를 제공하는 검출 기술이 결합된다면, 실용성이 우수한 전기화학 바이오센서가 구현될 수 있을 것이다. 최근 등장한 나노 스케일의 전기화학적 바이오센서는 나노 크기로 줄어든 크기로 인하여 분석적 능력, 국부적 농도 측정, 도파민 분비를 측정하여 신경 화학적 응용이 가능한 인 비보(in vivo) 모니터링 등도 가능하게 되었다.
그러나 아직 많은 한계점을 가지고 있다. 대한민국(KR) 등록특허 10-1092859호에서는 마이크로컨택프린팅 제조방법을 제공하는데 이는 물리적 접촉에 의한 생체물질(bio-content)의 이동을 이용하기 때문에 재현성이 매우 낮으며, 대면적 패턴 형성에 매우 불리하다.
대한민국(KR) 등록특허10-0506508호에서 언급한 SPM을 이용한 나노 바이오어레이의 제조방법은 대면적의 균일한 나노어레이 구성에 매우 오랜 시간이 소요되며, 사실상 대면적 나노 패턴의 형성이 제한적이다.
대한민국(KR) 등록특허 10-1033806호에서 언급한 나노 실린더형 템플레이트 또는 나노 점 어레이를 제조하는 방법은 기존 제조기술과 대비하여 상대적으로 경제적이고 간단한 제조방법을 제시하였지만, 대면적에 매우 균일한 나노 패턴의 형성에 한계가 있으며, 하향식(top down) 공정에 비교하여 나노 패턴의 크기 조절이 어렵고, 연속적으로 제조된 나노 패턴의 재현성 및 신뢰성이 낮다.
대한민국(KR) 등록특허 10-0549104호에서는 유기분자의 자기조립과 금속의 선택적 화학흡착을 이용하여 수 나노미터 이하의 요홈 모양 또는 기둥모양의 나노패턴을 제공하지만 상기 나노패턴은 균일하지 않고 매우 불규칙적인 배열을 가지며, 또한 대면적 적용이 어려운 문제가 있다. 대한민국 공개특허 10-2012-0060968호에서는 고분자량의 제 1 중합체와 저분량의 제 2 중합체가 혼합된 혼합 블록공중합체를 이용하여 고밀도의 균일한 나노입자 어레이를 제조하였으나, 블록공중합체 리소그래피 방법으로는 나노 패턴의 다양한 형상 및 크기의 조절이 어려운 한계가 있으며 대면적 관점에서도 재현성, 신뢰성 및 양산성 있는 제조방법으로 보기에는 한계가 있다.
대한민국 등록특허 10-1033806호 대한민국 등록특허 10-0506508호
본 발명은 나노 크기의 웰 어레이 구조를 대면적 기판에서 재현성 있게 구현하여 생체물질의 검출 감도, 선택성 및 신뢰성을 개선할 수 있는, 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서 제조방법은,
기판 상에 산화막을 형성하는 단계; 상기 산화막 상에 금속층을 증착하는 단계; 상기 금속층에 감광제를 도포하여 제 1 감광층을 형성한 뒤 스텝퍼 노광장비에 의한 포토리소그래피 공정을 통해 미세패턴을 형성하는 단계; 상기 미세패턴 형상으로 상기 금속층을 제 1 식각하고 상기 감광층을 제거한 뒤 절연층을 증착하는 단계; 상기 절연층 상에 감광제를 도포하여 제 2 감광층을 형성한 뒤 스텝퍼 노광장비에 의한 포토리소그래피 공정을 통해 나노패턴을 형성하는 단계; 및 상기 나노패턴 형상으로 상기 절연층을 제 2 식각하는 단계를 포함한다.
상기 기판은 지름 6인치 이상의 대면적 크기일 수 있고 상기 기판은 실리콘 기판일 수 있다.
산화막 형성단계
상기 기판 상에 형성된 산화막은 실리콘으로 형성된 실리콘 산화막일 수 있다.
상기 산화막은 플리즈마 화학기상증착법 또는 열산화법에 의해 형성될 수 있고 상기 산화막은 1000 ~ 5000 Å의 두께로 형성될 수 있다.
금속층 증착단계
상기 금속층은 바이오 센서의 전극 구성을 위하여 증착하는 것으로서 금, 백금, 은, 팔라듐, 구리 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속으로 형성될 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니고 전기화학 분석에 사용되는 도전성 있는 재질이라면 어떤 것이든 사용 가능하다. 그러나 나노웰 어레이 구조의 바이오센서를 완성한 다음 생체물질 처리를 위한 표면처리가 중요한 점을 고려할 때 금 또는 백금을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 금속층은 스퍼터링(sputtering), 기화증착(evaporation), 이온빔 증착법 등 통상의 증착 방법에 의해 형성될 수 있다.
미세패턴 형성단계
상기 제 1 감광층은 상기 증착된 금속층에 감광제를 도포하여 형성한다. 상기 제 1 감광층은 0.5 ~ 1 μm 범위의 두께로 형성될 수 있다. 상기 제 1 감광층의 두께는 미세패턴 형성단계 이후, 상기 금속층의 식각 단계에서 제 1 감광층과 금속층간 식각 선택비(Etch Selectivity)를 고려하여 결정하는 것이 바람직하다. 제 1 감광층의 두께가 너무 얇으면(0.5 μm 미만시), 플라즈마 건식 식각 공정시, 금속층의 완전한 식각 이전에 감광층이 날아갈 수 있고, 이렇게 되면 원하고자 하는 미세패턴을 형성할 수 없게 된다. 또한, 제 1 감광층의 두께가 너무 두꺼우면(1μm 초과시) 플라즈마 건식 식각 공정 이후, 제 1 감광층의 제거가 용이하지 않을 수 있다.
상기 금속층에 감광제를 도포하여 제 1 감광층을 형성한 뒤 스텝퍼 노광장비에 의한 포토리소그래피 공정을 통해 상기 제 1 감광층에 미세패턴을 형성할 수 있다.
상기 스텝퍼 노광장비는 KrF 스텝퍼 노광장비 또는 ArF 스텝퍼 노광장비일 수 있다. 통상 패턴을 단일로 형성한다면 스텝퍼 노광장비 외에도 더 경제적인 노광장비의 사용이 가능할 수 있으나, 본 발명에 따른 나노웰 어레이 형성과정에서는 1, 2차 패턴(미세패턴과 나노패턴)의 정렬(alignment) 과정이 요구되기 때문에 스텝퍼 노광장비로 미세 패턴을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 스텝퍼 노광장비는 미세패턴이 형성된 회로 원판인 레티클(reticle)을 통해 나온 자외선 광을 렌즈(lens)를 통해 웨이퍼 기판에 반복적으로 스텝 투영(step projection)함으로써, 패턴을 형성할 수 있다. 이때 파장 248nm의 엑시머 레이저를 사용하는 KrF 스텝퍼 노광장비, 파장 193nm의 엑시머 레이저를 사용하는 ArF 스텝퍼 노광장비 등을 적용할 수 있다. 여기서, 상기 레티클은 리소그래피에 적용되는 마스크이자, 최종적으로 본 발명의 나노웰 어레이 구조를 형성하는 최초의 마스크로서, 감광층에 형성될 패턴 및 최종적으로 형성되는 나노웰 어레이 바이오센서에 부합하는 형태의 미세패턴을 구비하는 것을 특징으로 한다. 이때, 필요한 나노웰 어레이 구조의 형상, 배열, 크기에 따라 다양한 패턴을 갖는 레티클을 적용함으로써 대면적 기판에 매우 균일하고, 재현성 있는 나노웰 어레이 패턴을 형성할 수 있다. 노광 후에는 현상(development)에 의해 감광층을 선택적으로 제거하여 미세패턴을 형성할 수 있다.
상기 미세패턴 크기는 수 십 마이크로미터 ~ 수 밀리미터일 수 있다. 이 때, 상기 미세패턴의 크기는 전기화학 분석을 위한 장비 혹은 셀에 고정하여 사용할 수 있는 정도의 크기가 바람직하며, 따라서 분석 장비와 분석 방법에 따라 조절될 수 있다.
금속층 식각단계
상기 미세패턴이 형성된 감광층을 마스크로 하여 금속층을 제 1 식각하여 금속층에 상기 미세패턴을 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 금속층에는 제 1 감광층에 형성되었던 미세패턴과 동일한 미세패턴이 형성될 수 있다. 상기 제 1 식각은 건식 식각일 수 있다. 상기 건식 식각은 반응성 이온 식각(RIE: Reactive Ion Etching) 혹은 유도결합플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma) 식각에 의하는 것이 바람직하다.
상기 반응성 이온 식각 또는 유도결합 플라즈마 식각은 Cl2 가스 25~50 sccm, Ar 가스 10~20 sccm, 압력 100~200 mTorr, 플라즈마 전력 50~300 W의 조건에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 제 1 식각이 종료되면 상기 제1 감광층을 제거할 수 있다. 이때, 감광층은 아세톤(acetone)에 침지시킨 다음 초음파(ultrasonic)를 이용하여 제거할 수 있다.
절연층 형성단계
상기 절연층은 통상적으로 전기를 통하지 않은 모든 재료를 사용할 수 있으나 기판과 금속층에 접착력이 우수하고 식각이 용이한 실리콘 산화막(SiO2: silicon dioxide) 또는 실리콘 질화막(SiNx: silicon nitride)을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 실리콘 산화막과 실리콘 질화막은 반도체 및 디스플레이 산업 등에서 절연층 형성시 가장 많이 사용되고 있는 재료로서, 실리콘, 금속 등의 모재에 대한 접착력은 이미 충분히 검증되었으며, 증착 후 식각 공정에서 모재와 절연층 간의 식각 선택비(Selectivity)가 높기 때문에 적용이 쉬우며, 생체친화적 특성이 있기 때문에 칩 제작 후 바이오센서로의 활용에 있어 용이성을 가질 수 있다.
상기 증착되는 절연층의 두께가 최종적으로 제조되는 나노웰 어레이 바이오센서에서 나노웰 구조의 깊이(높이)를 결정하므로 절연층의 두께 조절이 중요할 수 있다. 상기 절연층의 바람직한 두께는 100 ~ 9000 Å일 수 있다. 절연층 두께가 100Å 미만이면, 나노웰의 깊이(높이)에 비교하여 상대적으로 크기가 큰 생체 물질의 비특이성 결합(nonspecific binding)이 증가하여 노이즈(Noise)가 증가할 수 있고, 9000 Å 초과이면 나노 패턴의 직경에 비해 나노웰의 깊이(높이)가 깊어짐으로써 나노웰 내부에 전자와 이온이 트랩(Trap)되는 현상이 발생하고, 이로 인하여 센서의 감도나 선택성을 저해시킬 수 있으므로 절연층의 두께는 상기 범위가 바람직하다.
상기 절연층은 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 증착할 수 있다.
상기 절연층으로 실리콘 산화막(SiO2)을 증착하는 경우, 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)을 이용하여 5% SiH4/He 가스 100~200 sccm, N2O 가스 500~800 sccm, 증착온도 100~300 ℃, 압력 500~1000 mTorr, 플라즈마 전력 50~150 W의 조건에서 증착하는 것이 바람직하다.
또한 상기 절연층으로 실리콘 질화막(SiNx)을 증착하는 경우, 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)을 이용하여 5% SiH4/He 가스 300~450 sccm, NH3 가스 10~50 sccm, N2 가스 600 sccm, 증착온도 100~300℃, 압력 1500 ~ 2000 mTorr, 플라즈마 전력 20~50 W의 조건에서 증착하는 것이 바람직하다.
나노패턴 형성단계
상기 제 2 감광층은 상기 증착된 절연층에 감광제를 도포하여 형성한다. 상기 제 2 감광층은 0.5 ~ 1 μm 범위의 두께로 형성될 수 있다. 상기 제 2 감광층의 두께는 나노패턴 형성단계 이후, 상기 절연층의 식각 단계에서 제 2 감광층과 절연층간 식각 선택비(Etch Selectivity)를 고려하여 결정하는 것이 바람직하다. 제 2 감광층의 두께가 너무 얇으면(0.5μm 미만시), 플라즈마 건식 식각 공정시, 절연층의 완전한 식각 이전에 감광층이 날아갈 수 있고, 이렇게 되면 원하고자 하는 미세패턴을 형성할 수 없게 된다. 또한, 제 2 감광층의 두께가 너무 두꺼우면(1μm 초과시) 플라즈마 건식 식각 공정 이후, 제 2 감광층의 제거가 용이하지 않을 수 있다.
상기 증착된 절연층 위에 감광제를 도포하여 제 2 감광층을 형성한 뒤 스텝퍼 노광장비에 의한 포토리소그래피 공정을 이용하여 제 2 감광층 상에 나노패턴을 형성할 수 있다. 본 발명에서 나노패턴이란 나노크기의 패턴을 의미한다.
스텝퍼 노광장비에 의한 포토리소그래피 공정을 형성하여 나노패턴을 형성하는 과정은 상기에서 설명한 미세패턴 형성 과정과 동일하게 나노패턴이 형성된 레티클을 통해 나온 자외선 광을 렌즈를 통해 대면적 기판에 반복적으로 스텝 투영(step projection)함으로써 형성할 수 있다. 이 때, 기형성된 금속층 미세패턴 위에 국한하여 나노웰 어레이 구조가 형성되어야 하기 때문에 레티클 상에 존재하는 얼라인 키(align key)를 이용하여 정렬을 정확히 수행해야 한다. 노광 후 현상에 의해 절연층 위에 형성된 제 2 감광층에 나노 패턴이 형성될 수 있다.
상기 나노패턴은 원형 어레이, 사각형 이상의 다각형 어레이 및 벌집형 어레이로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 형상일 수 있고, 상기 나노패턴의 배열은 평행 배열 또는 지그재그 배열로 형성될 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니고 공지의 형상으로 패터닝되고 배열될 수 있다.
상기 나노패턴은 100 ~ 1000 nm의 직경과 간격으로 형성될 수 있다. 상기 나노패턴의 직경과 간격이 100 nm 미만인 경우, 상기 KrF 스텝퍼 노광장비 혹은 ArF 스텝퍼 노광장비으로는 패턴 형성한계(Pattern Resolution)를 벗어나기 때문에 패턴 형성이 불가능하며, 1000 nm (1 μm) 초과인 경우, 나노웰 구조가 갖는 검출 감도, 선택성, 신뢰성 등의 장점을 도출하지 못할 수 있기 때문에 상기 범위가 바람직하다.
절연층 식각단계
상기 나노패턴이 형성된 제 2 감광층을 마스크로 하여 절연층을 제 2 식각하여 상기 절연층에 나노패턴을 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 절연층에는 제 2 감광층에 형성되었던 나노패턴과 동일한 나노패턴이 형성될 수 있다.
상기 제 2 식각은 건식 식각일 수 있다. 절연층의 식각은 상기 제 1 식각 (금속층 식각) 단계와 같이 반응성 이온 식각(RIE) 또는 유도결합플라즈마(ICP) 식각에 의하는 것이 바람직하다.
상기 반응성 이온 식각 또는 유도결합 플라즈마 식각은 CF4 가스 30~50 sccm, 압력 10~500 mTorr, 플라즈마 전력 30~300 W의 조건에서 수행될 수 있다.
제 2 감광층 제거단계
상기 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서의 제조방법은 상기 절연층을 제 2 식각하는 단계 이후 제 2 감광층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 감광층은 아세톤(acetone)에 침지시킨 다음 초음파(ultrasonic)를 이용하여 제거할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 제조방법으로 제조된 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서로서 환경바이오모니터링용, 의료진단용, 식품 독성 평가용 또는 화장품 독성 평가용으로 사용되는 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서를 제공할 수 있다. (도 1 참조)
본 발명에 따른 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서는 환경바이오모니터링용, 의료진단용, 식품 독성 평가용 또는 화장품 독성 평가용뿐 만 아니라 면역센서(immunosensor), 유전자 발현(gene expression) 분석, 다양한 종류의 효소(enzyme), DNA, RNA, 단백질(protein) 검출을 위한 센서 등의 분야에 활용될 수 있다. 또한 향후 정보, 환경, 의료, 군사 분야 등에 다양하게 적용될 것으로 예상된다. 보다 상세하게는 대기 및 수질 환경 모니터링, 동식물용 나노바이오센서, 신약 테스트, 농작물 및 가축병 조기진단, 암 발병 조기 진단 및 예측, 식품 특성 및 독성 감지, 생화학 무기의 세포단위 테스트 등을 위한 초고감도 나노바이오센서로서 활용될 수 있다.
본 발명에 따르면 좁은 영역에 고집적된 나노 크기의 웰 어레이 구조를 균일하고 재현성 있게 구현할 수 있다. 이에 의하여 다양한 효소, 단백질, DNA 등 생체분자 및 생체물질의 검출 감도(sensitivity)와 선택성(selectivity), 신뢰성(reliability)이 크게 향상된 바이오센서의 제조가 가능하다. 또한 본 발명에 따르면 종래기술과 달리 6인치 (지름 150mm) 이상의 대면적 기판으로 양산할 수 있어 상용화 가능성이 높다.
도 1은 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서의 개략 사시도이다.
도 2는 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서 제조방법 흐름도이다.
도 3은 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서 제조방법 공정도이다.
도 4는 실시예 1에 따른 (a) 6인치 웨이퍼 샘플, (b) 한 개의 나노웰 어레이 바이오센서, (c) 6인치 1장에서 제조된 57개의 칩에 대한 사진이다.
도 5는 실시예 1에 따른 나노웰 어레이 구조에 대한 (a-c) SEM 이미지와 (d) 표면의 EDS 분석결과이다.
도 6은 실시예 1에 따른 나노웰 어레이 구조에 대한 (a-c) AFM 이미지와, (d-e) 전류분포(current distribution) 이미지이다.
도 7은 본 발명의 실시예1에 따른 나노웰 어레이 바이오센서에서의 생체물질(STIP 1) 처리에 관한 개략도이다.
도 8은 실시예 1과 비교예 1의 (a) 전기화학적 임피던스 분석(ElS) 결과와 (b) 순환 전압 전류법(CV)에 의한 측정 결과이다.
도 9는 STIP 1 농도에 따른 실시예 1(a)과 비교예 1(b)의 전기화학적 임피던스 분석(EIS) 결과이다.
도 10은 STIP 1 농도에 따른 전기화학적 분석(EIS)결과를 나타낸 표준 곡선(standard curve)이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예를 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예로 한정되지 않고 다를 형태로 구체화될 수 있다. 따라서 이하의 실시예에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
실시예 1
대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서 제조 (도2, 도3 참조)
6인치(지름 150 mm) 크기의 P-type (100) 실리콘 기판을 준비하여 열산화법(thermal oxidation)으로 3000Å 두께의 실리콘 산화막을 형성하였다. 다음으로 스퍼터링(sputtering) 장비를 이용하여 금(Au) 타겟으로부터 실리콘 산화막 위에 3000Å 두께의 금속층을 증착하였다. 이후, 금속층 위에 감광제를 도포한 후, KrF 스텝퍼 노광장비를 사용하여, 8 mm2 크기의 전극 패턴이 형성된 레티클에 의한 미세패턴을 감광층에 형성하였다. 이후, 미세패턴이 형성된 감광층을 마스크로 사용하여, 유도결합플라즈마(ICP) 식각 장비 내에서 Cl2 가스 35 sccm, Ar 가스 10 sccm, 압력 120 mTorr, 플라즈마 전력 150 W의 조건으로 3000Å 두께의 금(Au) 금속층을 선택적으로 제거한 후, 아세톤을 이용하여 초음파 비커에서 3분간 침지시켜 감광제를 제거하였다(단계 d). 이어서, 나노웰 어레이 구조를 구성할 절연층 형성을 위해, 플라즈마 화학기상증착(PECVD) 장비를 이용하여 5% SiH4/He 가스 150 sccm, N2O 가스 700 sccm, 온도 100 ℃, 압력 1000 mTorr, 플라즈마 전력 120 W의 조건에서 2000Å 두께의 실리콘 산화막(SiO2)을 증착한 뒤, 그 위에 감광제를 7000Å 두께로 도포하였다(단계 e). 다음으로, 감광층에 규칙적인 배열을 갖는 나노웰 어레이 패턴을 형성하기 위해 KrF 스텝퍼 노광장비를 사용하여, 직경 및 패턴간 간격이 각각 400 nm인 규칙적인 원형 어레이 패턴이 형성된 레티클에 의한 나노패턴을 감광층에 형성하였다(단계 f). 이후, 나노패턴이 형성된 감광층을 마스크로 사용하여, 반응성 이온 식각(RIE) 장비 내에서 CF4 가스 30 sccm, 압력 150 mTorr, 플라즈마 파워 50 W의 조건으로 절연층인 실리콘 산화막(SiO2)을 선택적으로 제거하였다(단계 g). 이후 감광제를 아세톤을 이용하여 초음파 비커에서 3분간 침지시켜 제거(단계 h)함으로써 최종적으로 본 발명에 따른 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서를 제조하였다.
비교예 1
실시예 1에 따른 나노웰 어레이 바이오센서의 비교 대상(reference)으로 6인치(지름 150 mm) 크기의 P-type (100) 실리콘 기판을 준비하여 열산화법으로 3000Å 두께의 실리콘 산화막을 형성한 다음 스퍼터링(Sputtering) 장비를 이용하여 금(Au) 타겟으로부터 실리콘 산화막 위에 3000Å 두께의 금속층을 증착하여 별도의 패턴이 없는 순수 금(bare Au) 전극을 제조하였다.
실험예 1
사진 이미지 분석
상기 실시예 1에 따라 제조된 6인치 웨이퍼 샘플을 도 4a 에 나타내었고, 한 개의 칩을 확대한 사진을 도 4b 에 나타내었고, 1장의 6인치 웨이퍼에서 제조된 57개의 칩에 대한 사진을 도 4c 에 나타내었다.
실험예 2
SEM 이미지 분석
상기 실시예 1에 따라 제조된 나노웰 어레이 바이오센서에서 나노웰 어레이 구조에 대한 주사전자현미경(SEM)으로 분석한 SEM 이미지를 도 5에 나타내었다. 도 5a 는 45° 기울어서 측정한 SEM 이미지로서 나노웰 어레이 구조를 매우 선명하게 확인할 수 있다. 도 5b 는 나노웰 어레이 구조의 단면을 측정한 SEM 이미지로서 나노웰의 지름, 간격 및 깊이를 확인할 수 있다. 도 5c 는 조금 넓은 영역을 측정한 SEM 이미지로서 나노웰 패턴이 매우 균일하게 형성되어 있음을 확실하게 확인할 수 있다. 도 5d 는 나노웰 어레이 구조의 표면을 EDS(Energy-Dispersive X-ray spectrometry)로 분석한 결과로서 금(Au) 금속층과 실리콘 산화막(SiO2)이 존재하고 있음을 확인할 수 있다.
실험예 3
AFM 분석
실시예 1에 따라 제조된 나노웰 어레이 구조를 AFM(Atomic Force Microscope)으로 분석하여 그 결과를 도 6 에 나타내었다. 도 6 (a)~(c)에서 나노스케일의 표면 형상(topology)을 좀 더 정교하게 확인할 수 있다. 도 6d 와 도 6e 는 I-AFM(current sensing AFM) 모드를 사용하여 측정한 결과를 나타낸 것이다. 실시예 1에 따른 나노웰 어레이 구조에서 전류가 균일하게 분포되어 있음을 확인할 수 있다. 이러한 전류분포 확인은 본 실시예 1에 따라 제조된 나노웰 어레이 바이오센서가 불량이 아닌 양품으로서 제대로 제조되었음을 확실히 증명할 수 있는 방법으로서 매우 중요하다.
실험예 4
상기 실시예 1에 따라 제조된 나노웰 어레이 바이오센서의 실제적인 성능 확인을 위해 생체물질로서 단백질을 이용하여 바이오센서로서의 검출 감도(sensitivity)와 선택성(selectivity), 신뢰성(reliability)등을 알아보고자 하기 실험을 실시하였다. 상기 생체물질은 STIP 1(Stress-Induced-Phos phoprotein-1)이라는 스트레스 유발시 체내에서 발생하는 단백질로서 이것을 타겟 검출물질로서 사용하였다. 나노웰 어레이 영역에서 STIP 1을 검출하기 위해 통상적으로 알려진 스트렙타아비딘(streptavidin)과 비오틴(biotin)의 결합반응을 이용하여 바이오실험을 진행하였다. 나노웰 내부에 표면처리를 위하여 액상 자기조립박막법(liquid self assembled monolayer)을 사용하였다. 상기 액상자기조립박막법에 의한 표면처리는 무수 에탄올에 11-MUA (11-mercaptoundecanoic acid) 를 10 mM 농도로 혼합한 뒤, 이 용액에 나노웰 어레이 샘플을 상온에서 1시간 동안 침지시킨 후, 샘플을 꺼내어 에스테르(ester) 표면으로 활성화시키기 위해 pH 5.5의 아세트산나트륨(Sodium acetate) buffer에 50 mM EDC와 50 mM NHS을 혼합시킨 용액을 1분간 처리하였다. 다음으로 나노웰 내부 전극 표면에 스트렙타아비딘(Streptavidin)의 고정화(immobilization)를 위해, 상기 샘플을 1mg/ml의 스트렙타아비딘이 첨가된 PBS buffer에 상온에서 30분 동안 침지시켰다. 이후, 10 μg/ml의 비오틴결합 항체(biotinylated antibody)를 나노웰 어레이 바이오센서에 1분간 처리한 뒤, 전기화학 임피던스 분석법(EIS: electro chemical impedance spectroscopy)과 순환 전압 전류법(CV: cyclic voltammetry)을 통해 STIP 1 항원의 농도 변화에 따른 검출 감도 및 양상을 측정하였다. (도 7 참조) 이때, 나노웰 어레이 바이오센서의 비교 대상(reference)으로 실리콘 기판 위에 산화막을 형성 후, 금(Au) 금속층이 증착된 후 별도의 패턴이 없는 순수 금(bare Au) 전극(비교예 1)에 함께 상기 생체물질 처리를 수행하였다.

실험예 4-1
전기화학적 임피던스 분석(EIS) 및 순환 전압 전류법(CV)에 의한 분석
실시예 1 에 따라 제조된 나노웰 어레이 바이오센서와 비교예 1에 따라 제조된 순수 금 전극을 비교 측정한 전기화학적 임피던스 분석(EIS) 결과를 도 8a에 나타내었고 순환 전압 전류법(CV)에 의한 측정 결과를 도 8b에 나타내었다.
도 8a에서 나타내는 바와 같이, 실시예 1에 따른 나노웰 어레이와 비교예 1에 따른 순수 금전극의 전하이동저항(Rct: charge transfer resistance) 값은 각각 20.87 kohm와 42.98 kohm을 나타내었다. 나노웰 어레이 구조에서 더 낮은 저항 값을 나타내었는 바, 나노웰 어레이 구조에서 더 많은 전류가 흐를 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 이것은 기존 거대 전극에서는 물질의 이동이 선형으로 확산되는 반면, 나노 크기의 웰 구조에서는 전기이중층(electrical double layer) 내에서 나노 전극으로 집중되는 현상이 발생하여 방사형 확산을 야기함으로써, 그 결과 전자의 이동을 용이하게 하는 것으로 해석할 수 있다.
도 8b에서 나타내는 바와 같이, 나노웰 어레이 구조에서의 총전하량(Q: total charge amount)이 27.05 mC 로서 순수 금 전극의 총 전하량인 14.88 mC보다 높게 나타났다. 이는 나노웰 어레이 구조에서 더 많은 전류가 흐를 수 있다는 것을 나타내는 것으로 상기 도 8a의 결과를 뒷받침해주는 것이다.
실험예 4-2
STIP 1 농도에 따른 전기화학적 임피던스 분석
본 발명의 실시예 1 에 따른 나노웰 어레이 바이오센서의 전기화학적 임피던스 분석(EIS) 결과를 도 9a에 나타내었고 비교예 1에 따른 순수 금 전극의 전기화학적 임피던스 분석(EIS) 결과를 도 9b에 나타내었다. 나노웰 어레이 구조에서 STIP 1 항원의 농도가 높아짐에 따라 전하이동저항(Rct)도 함께 높아지는 것을 확인하였고, 순수 금 전극에서도 유사하게 증가하는 현상을 보였다. 그러나 도 9a에서와 같이 나노웰 어레이 구조에서는 농도별 전하이동저항의 차이가 확연하게 구분이 되지만, 도 9b에서와 같이 순수 금 전극에서는 농도별 전하이동저항의 차이가 매우 미미하였다.
바이오센서로서 활용되기 위해서는 각 농도에 따른 검출 신호가 확연한 차이를 보여야 하는데 이것은 센서의 요구조건 중 선택성(selectivity)과 관련된다. 상기에서 확인한 바와 같이 실시예 1에 따른 나노웰 어레이 구조에서는 농도별 전하이동저항의 차이가 확연하게 구분이 되므로 센서의 요구조건 중 선택성(selectivity)이 매우 우수하다고 할 수 있다.
실험예 4-3
표준 곡선(standard curve)에 따른 분석
상기 실험예 4-2의 STIP 1 농도에 따른 전기화학적 임피던스 분석 결과를 계산하여 도 10에서 표준 곡선으로 나타내었다. 순수 금(Bare Au) 전극보다 나노웰 어레이 구조에서의 전하이동저항(Rct)의 변화량(ΔRct)이 더 크게 나타났고, 순수 금(Bare Au) 전극보다 나노웰 어레이 구조에서 STIP 1 항원 농도에 따른 그 값이 확연히 구분되고 있다. 센서의 요구조건 중 가장 중요한 검출 한계(Detection limit) 관점에서 볼 때, 나노웰 어레이 구조는 10 pg/ml 라는 매우 낮은 항원 농도에서도 검출이 가능하므로 이는 바이오센서로서의 활용도가 매우 높다고 판단할 수 있다. 이것은 나노웰 구조가 전기적 신호 검출에도 유리하지만, 생체물질 처리과정에서 발생되는 비특이성결합(nonspecific binding)의 확률을 낮추는 것에도 영향을 준다고 해석된다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예와 실험예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기에서 설명한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예에서 설명한 나노웰 어레이 바이오센서는 KrF 스텝퍼 노광장비의 사용과 패턴의 직경과 간격이 각각 400nm인 규칙적인 원형 어레이 패턴이 형성된 레티클을 적용한 것만을 예시하였으나, 그 외에도 본 발명의 기술적 범주 내에서 ArF 스텝퍼 노광장비 및 다양한 형태의 레티클 등을 적용할 수 있다.

Claims (16)

  1. 기판 상에 산화막을 형성하는 단계;
    상기 산화막 상에 금속층을 증착하는 단계;
    상기 금속층에 감광제를 도포하여 제 1 감광층을 형성한 뒤 스텝퍼 노광장비에 의한 포토리소그래피 공정을 통해 미세패턴을 형성하는 단계;
    상기 미세패턴 형상으로 상기 금속층을 제 1 식각하고 상기 제 1 감광층을 제거한 뒤 절연층을 증착하는 단계;
    상기 절연층 상에 감광제를 도포하여 제 2 감광층을 형성한 뒤 스텝퍼 노광장비에 의한 포토리소그래피 공정을 통해 나노패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 나노패턴 형상으로 상기 절연층을 제 2 식각하는 단계를 포함하는 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 지름 6인치 이상인 것을 특징으로 하는 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화막이 실리콘으로 형성된 실리콘 산화막인 것을 특징으로 하는 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화막이 플리즈마 화학기상증착법 또는 열산화법에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속층은 금, 백금, 은, 팔라듐, 구리 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서의 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 감광층과 제 2 감광층은 각각 0.5 ~ 1 μm 범위의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서의 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 스텝퍼 노광장비가 KrF 스텝퍼 노광장비 또는 ArF 스텝퍼 노광장비인 것을 특징으로 하는 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서의 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 식각이 반응성 이온 식각 또는 유도결합 플라즈마 식각에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서의 제조방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연층이 100 ~ 9000 Å두께의 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막인 것을 특징으로 하는 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서의 제조방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연층이 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 증착되는 것을 특징으로 하는 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서의 제조방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노패턴은 원형 어레이, 사각형 이상의 다각형 어레이 및 벌집형 어레이 중 어느 하나이고, 상기 나노패턴의 배열은 평행 배열 또는 지그재그 배열로 형성되는 것을 특징으로 하는 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서의 제조방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노패턴은 100 ~ 1000 nm의 직경과 간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서의 제조방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 식각은 반응성 이온 식각 또는 유도결합 플라즈마 식각에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서의 제조방법.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연층을 제 2 식각하는 단계 이후 제 2 감광층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서의 제조방법.
  16. 청구항 1에 내지 청구항 15 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서로서 환경바이오모니터링용, 의료진단용, 식품 독성 평가용 또는 화장품 독성 평가용으로 사용되는 것을 특징으로 하는 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서.
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