KR20210044909A - 나노포어를 형성하는 방법 및 결과적인 구조 - Google Patents

나노포어를 형성하는 방법 및 결과적인 구조 Download PDF

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Abstract

매우 근접하게 있는 양호하게 제어된 고체 상태 나노포어들 및 그러한 나노포어들의 어레이들을 제조하기 위한 방법들이 제공된다. 일 실시예에서, 복수의 웰들 및 하나 이상의 채널이 기판에 형성된다. 웰들 각각은 채널에 인접해 있다. 각각의 웰의 측벽의 부분이 노출된다. 노출된 측벽의 부분은 인접한 채널에 가장 가깝다. 각각의 웰의 노출된 측벽의 부분은 인접한 채널을 향해 측방향으로 식각된다. 웰들을 인접한 채널에 연결하는 나노포어가 형성된다.

Description

나노포어를 형성하는 방법 및 결과적인 구조
본원에 개시된 양상들은, 기판에, 양호하게 제어된 고체 상태 나노포어들 및 양호하게 제어된 고체 상태 나노포어들의 어레이들을 제조하는 방법들에 관한 것이다.
나노포어들은, 데옥시리보핵산(DNA) 및 리보핵산(RNA) 서열분석과 같은 응용들에 광범위하게 사용된다. 일 예에서, 나노포어 서열분석은 전기 검출 방법을 사용하여 수행되며, 이는 일반적으로, 전도성 유체에 침지되어 있는 샘플인 미지의 샘플을 나노포어를 통해 운반하는 것, 및 나노포어에 걸쳐 전위를 인가하는 것을 포함한다. 나노포어를 통한 이온들의 전도에 기인한 전류가 측정된다. 나노포어 표면에 걸친 전류 밀도의 크기는, 나노포어 치수들, 및 당시에 나노포어를 점유하고 있는 샘플, 이를테면, DNA 또는 RNA의 조성에 의존한다. 상이한 뉴클레오티드들은, 나노포어 표면들에 걸친 전류 밀도에서의 특성 변화들을 야기한다. 이러한 전류 변화들이 측정되어 DNA 또는 RNA 샘플을 서열분석하는 데 사용된다.
생물학적 및 거대분자 서열분석을 위해 다양한 방법들이 사용되었다. 어느 염기들이 단일 가닥의 DNA에 부착되었는지를 식별하기 위해, 합성에 의한 서열분석 또는 2세대 서열분석이 사용된다. DNA를 직접 판독하기 위해 3세대 서열분석이 사용되며, 이는 일반적으로, 단일 포어를 통해 전체 DNA 가닥을 스레딩하는 것을 포함한다. 일부 서열분석 방법들은, DNA 또는 RNA 샘플을 잘라낸 다음 재조립할 것을 요구한다. 부가적으로, 일부 서열분석 방법들은 생물학적 멤브레인들 및 생물학적 포어들을 사용하며, 이들은 저장 수명들을 갖고 사용하기 전에 저온으로 유지되어야 한다.
최근에는, 규소 함유 물질과 같은 독립형 멤브레인 상에 형성되는 나노미터 크기의 포어들인 고체 상태 나노포어들이 서열분석에 사용되었다. 그러나, 이를테면, 터널링 전자 현미경, 집속 이온 빔, 또는 전자 빔을 사용하는 현재의 고체 상태 나노포어 제조 방법들은, 나노포어들의 어레이들을 제조하는 데 필요한 크기 및 위치 제어 요건들을 쉽고 저렴하게 달성할 수 없다. 부가적으로, 현재의 나노포어 제조 방법들은 시간 소모적이고, 나노포어들을 다른 나노포어들에 매우 근접하게 제조하는 것이 어려울 수 있다.
따라서, 서로 매우 근접하게 배치되는 양호하게 제어된 고체 상태 나노포어들을 제조하는 개선된 방법들에 대한 필요성이 관련 기술분야에 존재한다.
일 양상에서, 복수의 나노포어들을 형성하기 위한 방법은, 기판 상에 제1 층을 증착하는 단계, 및 제1 층 및 기판에 복수의 웰들 및 하나 이상의 채널을 형성하는 단계를 포함한다. 복수의 웰들 각각은 채널에 인접해 있다. 방법은, 복수의 웰들을 인접한 채널에 연결하기 위해, 노출된 측벽의 부분을 측방향으로 식각하는 단계, 및 복수의 웰들 각각을 인접한 채널에 연결하는 나노포어들을 형성하는 단계를 더 포함한다.
다른 양상에서, 복수의 나노포어들을 형성하기 위한 방법은, 기판 상에 제1 층을 증착하는 단계, 및 제1 층 및 기판에 제1 웰, 제2 웰, 및 채널을 형성하는 단계를 포함한다. 채널은 제1 웰 및 제2 웰에 인접하게 배치된다. 방법은, 제1 웰의 측벽의 제1 부분 및 제2 웰의 측벽의 제2 부분을 노출시키는 단계를 더 포함한다. 제1 웰의 노출된 측벽의 제1 부분 및 제2 웰의 노출된 측벽의 제2 부분은 채널에 인접해 있다. 제1 웰 및 채널로부터 연장되는 제1 터널이 제1 층 아래에 형성된다. 제2 웰 및 채널로부터 연장되는 제2 터널이 제1 층 아래에 형성된다. 제1 터널을 채널에 연결하는 제1 나노포어가 형성되고, 제2 터널을 채널에 연결하는 제2 나노포어가 형성된다.
또 다른 양상에서, 디바이스는, 기판 내에 배치되는 제1 웰, 기판 내에 배치되는 제2 웰, 및 제1 웰 및 제2 웰에 인접하게 기판 내에 배치되는 채널을 포함한다. 기판은, 제1 웰 및 채널에 결합되는 제1 나노포어, 및 제2 웰 및 채널에 결합되는 제2 나노포어를 더 포함한다. 제2 나노포어는 제1 나노포어로부터 1 ㎛ 미만에 배치된다.
본 개시내용의 상기 언급된 특징들이 상세하게 이해될 수 있는 방식으로, 위에서 간략하게 요약된 본 개시내용의 보다 구체적인 설명이 양상들을 참조하여 이루어질 수 있으며, 이러한 양상들 중 일부가 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 단지 예시적인 양상들을 예시하는 것이므로 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 하며, 다른 균등하게 유효한 양상들을 허용할 수 있다는 것이 유의되어야 한다.
도 1은 본 개시내용에 따른, 복수의 나노포어들을 형성하기 위한 방법의 프로세스 흐름이다.
도 2a 내지 도 2n은, 본원에 개시된 방법에 따라 복수의 나노포어들이 형성되는 칩의 평면도들 및 단면도들을 도시한다.
도 3a 내지 도 3f는 다양한 실시예들에 따른, 다양한 나노포어 설계들 또는 레이아웃들을 갖는 칩들의 다양한 실시예들을 예시한다.
이해를 용이하게 하기 위해서, 도면들에 공통된 동일한 요소들을 지정하기 위해 가능한 경우 동일한 참조 번호들이 사용되었다. 일 양상의 요소들 및 특징들은 추가적인 언급이 없이도 다른 양상들에 유익하게 포함될 수 있는 것으로 고려된다.
매우 근접하게 있는 양호하게 제어된 고체 상태 나노포어들 및 그러한 나노포어들의 어레이들을 제조하기 위한 방법들이 제공된다. 일 실시예에서, 복수의 웰들 및 하나 이상의 채널이 기판에 형성된다. 웰들 각각은 채널에 인접해 있다. 각각의 웰의 측벽의 부분이 노출되며, 노출된 측벽의 부분은 인접한 채널에 가장 가깝다. 각각의 웰의 노출된 측벽의 부분은 인접한 채널을 향해 측방향으로 식각된다. 이어서, 각각의 웰을 인접한 채널에 연결하는 나노포어가 형성된다. 각각의 나노포어는 인접한 나노포어들로부터 1 ㎛ 미만의 거리로 이격될 수 있다.
본원에 개시된 방법들은, 반도체 칩 상의 고체 상태 나노포어들의 형성을 예로서 참조한다. 또한, 개시된 방법들은, 고체 상태 및 생물학적 물질들을 포함하는 다양한 물질들 상에 다른 미세유체 디바이스들 및 포어형 구조들을 형성하는데 유용한 것으로 고려된다. 본원에 개시된 방법들은 또한 각뿔 형상 터널들의 형성을 예로서 참조하지만, 다른 식각된 피쳐들 및 이들의 임의의 조합들이 또한 고려된다. 예시의 목적들을 위해, 규소 기판이 설명되지만, 임의의 적합한 기판 물질들 및 유전체 물질들, 이를테면 유리가 또한 고려된다.
도 1은 본 개시내용에 따른, 복수의 나노포어들을 형성하기 위한 방법(100)의 프로세스 흐름이다. 도 2a 내지 도 2n은, 본원에 개시된 방법에 따라 복수의 나노포어들이 형성되는 칩(200)의, 이를테면 방법(100)의 다양한 스테이지들에서의 평면도들 및 단면도들을 도시한다. 도 2a 내지 도 2n이 특정 시퀀스로 도시되어 있지만, 도 2a 내지 도 2n에 도시된 방법(100)의 다양한 스테이지들은 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있는 것으로 또한 고려된다. 방법(100)의 더 명확한 이해를 용이하게 하기 위해, 도 1의 방법(100)은 도 2a 내지 도 2n의 칩(200)의 다양한 도면들을 사용하여 설명 및 시연될 것이다. 방법(100)이 도 2a 내지 도 2n을 사용하여 설명되지만, 도 2a 내지 도 2n에 도시되지 않은 다른 동작들이 포함될 수 있다.
방법(100) 전에, 기판(202)이 제공된다. 기판(202)은 일반적으로 임의의 적합한 반도체 기판, 이를테면, 도핑된 또는 도핑되지 않은 규소(Si) 기판이다. 기판(202)은 200 ㎛ 내지 2000 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 기판(202)은, <100> 평면을 포함하는 결정 구조를 갖는 Si이다. 동작(110)에서, 도 2a의 단면도에 도시된 바와 같이, 제1 층(204)이 기판(202) 상에 증착된다. 제1 층(204)은 하드 마스크로서 기능할 수 있다. 적어도 하나의 구현에서, 제1 층(204)은 수산화칼륨(KOH) 저항성 식각 장벽, 이를테면 질화규소(SiN)이다. 제1 층(204)은 약 1 nm 내지 약 100 nm의 두께를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 제1 층(204)은 약 50 nm의 두께를 갖는다. 제1 층(204)은 일반적으로, 원자 층 증착(ALD), 물리 기상 증착(PVD), 또는 화학 기상 증착(CVD)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적합한 증착 방법들에 의해 증착된다.
동작(120)에서, 도 2b 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 복수의 웰들(206A-206B) 및 하나 이상의 채널(208)이 형성된다. 도 2b는 칩(200)의 평면도인 한편, 도 2c는, 도 2b에서 2C로 라벨링된 선을 통한 단면이다. 복수의 웰들(206A-206B) 각각은 하나 이상의 채널 중 채널(208)에 인접하게 배치된다. 적어도 하나의 구현에서, 짝수 개의 웰들이 칩(200) 상에 형성된다. 2개의 웰(206A-206B) 및 하나의 채널(208)만이 도시되지만, 아래의 도 3a 내지 도 3b에서 도시되고 설명된 바와 같이, 임의의 수의 웰들 및 채널들이 활용될 수 있다. 적어도 2개의 웰(206A-206B) 또는 짝수 개의 웰들을 형성하는 것은, 웰들(및 나중의, 웰들에 결합되는 나노포어들)이 쌍들로 활용될 수 있게 한다.
동작(120)에서 웰들(206A-206B) 및 채널(208)을 형성하기 위해, 제1 포토레지스트 층(210)이 제1 층(204) 상에 증착된다. 이어서, 웰들(206A-206B) 및 채널(208)을 형성하기 위해 패터닝 프로세스가 수행된다. 일반적으로, 패터닝 프로세스는, 제1 포토레지스트 층(210)을 리소그래피 또는 패터닝하고, 예컨대 반응성 이온 식각(RIE)에 의해 제1 층(204) 및 기판(202)을 식각하는 것을 포함한다. 식각은 방향성 식각일 수 있다. 이어서, 제1 포토레지스트 층(210)이 제거된다.
웰들(206A-206B) 및 채널(208)은 10 nm 내지 2 ㎛의 깊이(213)로 식각될 수 있다. 일 실시예에서, 웰들(206A-206B) 및 채널(208)은 약 250 nm의 깊이(213)를 갖도록 식각된다. 웰들(206A-206B)은, 채널(208)로부터 20 nm 내지 500 nm의 거리(212)로 이격될 수 있다. 채널(208)은 약 1 nm 내지 200 nm의 폭(214)을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 채널(208)은 100 nm 미만의 폭(214)을 가질 수 있다. 그에 따라, 제1 웰(206A)은 제2 웰(206B)로부터 1000 nm 미만의 거리로 이격될 수 있다.
동작(130)에서, 도 2d 내지 도 2e에 도시된 바와 같이, 제1 층(204), 예컨대 산화물 층에 대해 적합한 정도의 식각 선택도를 나타내는 물질과 같은 제2 층(216)이 제1 층(204), 복수의 웰들(206A-206B), 및 채널(208) 상에 증착 또는 성장되어, 칩(200)의 각각의 노출된 표면을 코팅한다. 도 2d는 칩(200)의 평면도인 한편, 도 2e는, 도 2d에서 2E로 라벨링된 선을 통한 단면이다. 제2 층(216)은 칩(200)의 각각의 노출된 표면 위에 형상추종적 층으로 증착된다. 제2 층(216)은 1 nm 내지 100 nm의 두께를 가질 수 있다. 일 양상에서, 제2 층(216)은 5 nm 내지 10 nm의 두께를 갖는다. 일 실시예에서, 제1 층(204)은, 예컨대, 제1 층(204)을 산소 또는 물(H2O)에 노출시킴으로써 산화되어 제2 층(216)을 형성한다. 다른 실시예에서, 제2 층(216)은 ALD를 사용하여 증착된다. 또 다른 실시예에서, 제2 층(216)은, 예컨대, ALD, CVD, 또는 PVD에 의해 금속 또는 반도체 층을 증착하고, 이어서, 금속 또는 반도체 층을 산화시켜 제2 층(216)을 형성함으로써 형성된다.
제2 층(216)은 KOH 식각 저항성 층일 수 있다. 적어도 하나의 구현에서, 제2 층(216)은 SiN을 포함한다. 제2 층(216)은 염기 저항성일 수 있다. 제2 층(216)은 일반적으로, SiO2에 비해 낮은 식각률을 갖는 임의의 적합한 유전체 물질을 포함한다. 제2 층(216)에 대한 적합한 물질들의 예들은, Al2O3, Y2O3, 및 TiO2를 더 포함하지만 이에 제한되지 않는다. SiN의 식각률과 비교하여 제2 층(216)의 식각률은 일반적으로 약 10:1, 예컨대 약 100:1, 예를 들어 약 1,000:1보다 크다
동작(140)에서, 도 2f 내지 도 2g에 도시된 바와 같이, 웰들(206A-206B) 각각의 측벽(222)의 부분이 노출된다. 도 2f는 칩(200)의 평면도인 한편, 도 2g는, 도 2f에서 2G로 라벨링된 선을 통한 단면이다. 노출된 측벽(222)의 부분은 채널(208)에 인접해 있고, 기판(202)의 일부이다. 일 실시예에서, 채널(208)의 측벽의 하나 이상의 부분이 노출된다. 그러한 실시예에서, 제1 웰(206A)에 인접해 있는 채널(208)의 측벽의 제1 부분이 노출되고, 제2 웰(206B)에 인접해 있는 채널(208)의 측벽의 제2 부분이 노출된다. 채널(208)의 측벽의 제1 부분 및 측벽의 제2 부분은 서로의 바로 맞은편에 배치될 수 있다. 채널(208)의 측벽의 제1 부분 및 측벽의 제2 부분은 서로 인접하게 배치될 수 있다.
측벽(222)의 부분을 노출시키기 위해, 제2 패터닝 프로세스가 수행된다. 제2 패터닝 프로세스에서, 개선된 포토리소그래피 프로세스들을 위한 평면형 표면을 제공하기 위해 평탄화 층(218)이 증착된다. 이어서, 제2 포토레지스트 층(220)이 평탄화 층(218) 상에 증착된다. 마스크는 노출될 측벽(222)의 부분들과 정렬될 수 있다. 제2 패터닝 프로세스는, 제2 포토레지스트 층(220) 및 평탄화 층(218)을 리소그래피 또는 패터닝하는 것을 포함한다. 제2 패터닝 프로세스는, 예컨대, RIE에 의해 또는 습식 식각 프로세스에 의해, 제2 포토레지스트 층(220) 및 평탄화 층(218)을 식각하여 웰들(206A-206B)의 측벽(222)의 부분을 노출시키는 것을 더 포함한다.
동작(150)에서, 도 2h 내지 도 2i에 도시된 바와 같이, 제2 층(216)은 웰들(206A-206B)의 노출된 측벽(222)의 부분들로부터 선택적으로 식각된다. 도 2h는 칩(200)의 평면도인 한편, 도 2i는, 도 2h에서 2I로 라벨링된 선을 통한 단면이다. 동작(140)에서 채널(208)의 측벽의 부분들이 노출되는 실시예에서, 제2 층(216)은 채널(208)의 노출된 측벽의 부분들로부터 선택적으로 식각된다.
노출된 측벽(222)의 부분들로부터 제2 층(216)을 제거하기 위해, 일 실시예에서는 습식 식각제가 활용된다. 예컨대, 플루오라이드 기재 식각제, 이를테면, 희석 플루오린화수소산(DHF)이 사용될 수 있는데, 그 이유는, 산화물이 플루오라이드 식각들에 선택적이기 때문이다. 다른 실시예에서, 노출된 측벽(222)의 부분들로부터 제2 층(216)을 제거하기 위해 등방성 건식 식각제가 활용된다. 예컨대, 건식 식각제는 플루오린 함유 증기 또는 플라즈마를 포함할 수 있다. 일 예에서, 플루오린 함유 증기 또는 플라즈마는 플루오린 이온들 및/또는 플루오린 라디칼들을 포함한다. 선택적 식각은, 제1 층(204)을 온전하게 남기면서 제2 층(216)을 제거할 수 있다. 도 2i에 도시된 바와 같이, 제2 층(216)은, 웰들(206A-206B)의 측부 표면들 상의 제2 층(216)을 유지하면서, 노출된 측벽(222)의 부분들로부터 선택적으로 제거될 수 있다. 이어서, 제2 포토레지스트 층(220) 및 평탄화 층(218)이 제거될 수 있다. 제2 포토레지스트 층(220) 및 평탄화 층(218)을 제거함으로써, 칩(200)은, 웰들(206A-206B)의 측벽들의 비-노출된 부분들 상의 염기 저항성 제2 층(216) 및 노출된 측벽(222)의 부분들 상의 노출된 규소 결정 표면을 갖는다.
동작(160)에서, 노출된 측벽(222)의 부분들은 채널(208)을 향해 측방향으로 식각된다. 도 2j 및 도 2k에 도시된 바와 같이, 측방향 식각제는 염기성 액체 화학물질, 예컨대 KOH 딥(dip)을 포함하거나, 테트라메틸암모늄 수산화물(TMAH)에 대한 노출에 의한 것일 수 있다. 도 2j는 칩(200)의 평면도인 한편, 도 2k는, 도 2j에서 2K로 라벨링된 선을 통한 단면이다. 일 실시예에서, 측방향 식각제는 이방성 식각을 포함한다. 다른 실시예에서, 측방향 식각제는 등방성 식각을 포함한다. 동작(140)에서 채널(208)의 측벽의 부분들이 노출되는 실시예에서, 채널(208)의 노출된 측벽의 부분들은 웰들(206A-206B)을 향해 측방향으로 식각된다.
측방향 식각은, 기판(202)의 평면형 상부 표면과 평행한 방식으로 기판(202)을 식각하는 것을 포함한다. 측방향 식각은 이방성 식각일 수 있다. 노출된 측벽(222)의 부분들을 채널(208)을 향해 측방향으로 식각하는 것은, 제1 층(204) 아래에 기판(202)을 통한 터널들(224) 또는 경로들을 형성한다. 터널들(224)은 각뿔 또는 뿔대 형상이고, 제1 층(204)의 평면형 상부 표면과 평행하다. 터널들(224)의 크기는, 노출된 측벽(222)의 부분들의 크기에 따라 변할 수 있다. 터널들(224)은, 터널들(224)과 채널(208) 사이에 제2 층(216)의 박막 멤브레인만이 남을 때까지 식각될 수 있다.
측방향 식각은, 결정 구조의 결정 패싯들 또는 격자를 따라 기판(202)을 식각하도록 미리 결정된 시간량 동안 수행될 수 있다. 미리 결정된 시간 기간은 일반적으로, 마스크 개구에 대한 측방향 식각을 감소시키거나 제거하도록 결정된다. 일반적으로, Si 기판(202)의 <100> 평면은, 용액의 온도 및 H2O 중의 KOH의 농도에 대응하는 식각률로 식각될 것이다. 대부분의 시나리오들의 경우, KOH는 약 0.4 nm/s 내지 약 20 nm/s의 식각률로 Si의 <100> 평면을 식각할 것이다. 식각률은 용액을 냉각시키거나 가열함으로써 가속되거나 지연될 수 있다. 노출된 측벽들(222)의 부분들은, 섭씨 0 도 내지 100 도의 온도에서 0.5 분 내지 5 분 동안 식각제에 노출될 수 있다. 일 실시예에서, 30 중량%의 수성 KOH 용액이 약 40 도로 가열되고 약 1 분 동안 적용된다.
동작(170)에서, 도 2l 내지 도 2n에 도시된 바와 같이, 복수의 나노포어들(226A-226B)이 형성되어 터널들(224)을 채널(208)에 연결한다. 도 2l은 칩(200)의 평면도인 한편, 도 2m은, 도 2l에서 2M으로 라벨링된 선을 통한 단면이다. 도 2n은, 나노포어들(226A-226B)이 실질적으로 평행하거나 동축으로 정렬된, 채널(208)의 동일한 측 상에 배치되는 웰들(206A-206B)을 갖는 칩(260)의 실시예를 예시한다. 도 2n의 칩(260)은, 도 2a 내지 도 2m과 관련하여 설명된 바와 같이 방법(100)에 따라 형성될 수 있다.
나노포어들(226A-226B)은, 전압을 인가하여 터널들(224)과 채널(208) 사이에 남아 있는 제2 층(216)의 박막 멤브레인의 유전체 분해를 유도함으로써 형성될 수 있으며, 그 결과, 양호하게 제어되고 국소화되고 강건한 나노포어들이 형성된다. 나노포어들(226A-226B)은 각뿔 또는 뿔대 형상 터널들(224)의 선단에 형성된다. 전압을 인가하기 위해 하나 이상의 전극(240)이 칩(200) 상에 임의적으로 형성될 수 있다. 하나 이상의 전극(240)은, 제2 층(216) 상에, 웰들(206A-206B) 내에, 그리고 채널(208) 내에 배치될 수 있다. 이어서, 하나 이상의 전극(240)은 나노포어들(226A-226B)의 형성에 후속하여 제거될 수 있다. 다른 실시예에서, 칩(200)은, 전압을 인가하도록 구성되는 전극들을 포함한다. 유리 슬라이드(228)가 제2 층(216) 상에 증착되고 그에 접합될 수 있다.
인가된 전압은 일반적으로, 제2 층(216)의 적어도 일부분을, 예컨대, 제2 층(216)의 일부를 분해함으로써 제거하여, 나노포어들(226A-226B)을 형성한다. 인가된 전압은 일반적으로, 제2 층(216)의 항복 전압보다 높은 전형적인 전압들을 포함한다. 예컨대, 산화규소의 항복 전압은 일반적으로, 물질의, 약 2 메가볼트(MV)/cm 내지 약 6 MV/cm, 또는 약 200 내지 600 밀리볼트(mV)/nm이다. 일 양상에서, 인가된 전압은 제2 층(216)의 항복 전압보다 약간 아래이고, 전류는 남아 있는 멤브레인을 천천히 분해하기 위해 더 길게 인가된다. 다른 양상에서, 인가된 전압은, 나노포어들(226A-226B)이 기판 물질을 통해 블라스팅되도록, 기판 물질의 항복 전압보다 높다. 원하는 것보다 큰 크기를 갖는 나노포어들(226A-226B)이 형성되는 경우, 나노포어들(226A-226B)의 크기를 감소시키기 위해 산화 프로세스가 수행될 수 있다. 예컨대, 각뿔 또는 뿔대 형상 터널들(224)의 선단이 산화되어 나노포어들(226A-226B)의 크기를 감소시킬 수 있다. 일 실시예에서, 제2 층(216)은, 터널들(224) 사이에 배치된 채널(208)의 부분 상에 증착되지 않거나 그로부터 제거된다. 그러한 실시예에서, 나노포어들(226A-226B)은 동작(160)의 측방향 식각을 사용하여 형성될 수 있고, 나노포어들(226A-226B)을 형성하기 위해 전압이 인가될 필요는 없다.
적어도 2개의 웰(206A-206B) 및 후속하여 적어도 2개의 나노포어(226A-226B)를 형성하는 것은, 웰들(206A-206B)에 결합된 나노포어들(226A-226B)이 쌍들로 또는 이중 포어들로서 활용되어 거대분자들, 이를테면 단백질들, 및/또는 생물학적 중합체들, 이를테면 DNA를 서열분석할 수 있게 한다. 예컨대, 칩(200)은 생물학적 중합체들 및/또는 거대분자들을 포함하는 전해질 또는 전도성 유체로 채워질 수 있다. 단일 가닥들의 DNA 또는 거대분자들이 제1 웰(206A)에 결합된 나노포어(226A) 내지 제2 웰(206B)에 결합된 나노포어(226B)를 통과하여, 생물학적 중합체들 및/또는 거대분자들의 특성들 또는 그에 부착된 물질들이 결정될 수 있다. 전기적 특성들은, DNA 염기 쌍의 크기 및/또는 형상에 기반하여 변경될 수 있는 전기 신호를 포함한다. 제1 웰(206A)에 결합된 나노포어(226A)는 생물학적 중합체들 및/또는 거대분자들이 나노포어(226A)에 유인될 수 있는 수집률을 제어할 수 있고, 제2 웰(206B)에 결합된 나노포어(226B)는 생물학적 중합체들 및/또는 거대분자들이 나노포어(226B)를 통과하는 속도 또는 통과율을 제어할 수 있거나, 그 반대가 또한 가능하다. 다른 실시예에서, 나노포어들(226A, 226B) 둘 모두는, 상이한 크기들을 갖는 전기장들의 인가를 통해, 생물학적 중합체들 및/또는 거대분자들이 그들을 통과하는 속도에 영향을 준다. 그에 따라, 이중 나노포어들을 활용하는 것은 이중 나노포어들이 서로 유체 연통할 수 있게 하며, 그 결과, 신호 대 잡음 비가 개선되고 생물학적 중합체들 및/또는 거대분자들의 포착률이 더 높아지면서 여전히 제어가 유지된다.
나노포어들(226A-226B)이 본원에 개시된 방법들에 따라 형성되었기 때문에, 나노포어들(226A-226B)의 크기 및 위치가 양호하게 제어된다. 나노포어들(226A-226B)의 양호하게 제어된 크기는 일반적으로, 특정 크기의 샘플을 서열분석하기에 적합한 직경이다. 일 양상에서, 나노포어들(226A-226B)의 크기는 약 100 nm 이하이다. 일 양상에서, 나노포어들(226A-226B)은 약 5 nm × 5 nm 내지 약 50 nm × 50 nm이다. 일 실시예에서, 나노포어들(226A-226B)은 약 5 nm 내지 50 nm의 직경을 갖는다. 일 실시예에서, 나노포어들(226A-226B)은 약 20 nm × 20 nm이다. 다른 양상에서, 나노포어들(226A-226B)의 크기는 약 1.5 nm 내지 약 1.8 nm, 이를테면, 약 1.6 nm이며, 이는 대략적으로 단일 가닥의 DNA의 크기이다. 다른 양상에서, 나노포어들(226A-226B)의 크기는 약 2 nm 내지 약 3 nm, 이를테면, 약 2.8 nm이며, 이는 대략적으로 이중 가닥 DNA의 크기이다. 나노포어들(226A-226B)의 양호하게 제어된 위치는 일반적으로, 하나 이상의 나노포어의 구성에 적합한 기판 상의 임의의 위치이다. 일 실시예에서, 나노포어들(226A-226B)은 서로로부터 1 ㎛ 미만, 예컨대, 서로로부터 100 nm 미만으로 이격된다.
일 양상에서, 칩(200)은, 도 3a 내지 도 3f에 도시된 바와 같이, 나노포어들(226)의 어레이를 포함한다. 본원에 개시된 방법들은 일반적으로, 서열분석 또는 다른 프로세스들을 위한 원하는 구성의 나노포어 어레이가 형성되도록 복수의 나노포어들(226) 각각의 위치를 제어하는 데 사용된다. 방법(100)은 위에 설명된 동작들로 제한되지 않으며, 하나 이상의 다양한 다른 동작을 포함할 수 있다.
도 3a 내지 도 3f는 다양한 실시예들에 따른, 다양한 설계들 또는 레이아웃들로 복수의 나노포어들을 갖는 칩들(300, 350)의 다양한 실시예들을 각각 예시한다. 칩들(300 및 350)은 도 2a 내지 도 2n의 칩(200)일 수 있다. 부가적으로, 도 3a 내지 도 3f의 채널들(308), 터널들(324), 웰들(306A-306B) 및 나노포어들(326A-326B)은 각각 도 2a 내지 도 2n의 채널들(208), 터널들(224), 웰들(206A-206B) 및 나노포어들(226A-226B)일 수 있다.
도 3a 내지 도 3b에서, 칩(300)은 직각 설계의 웰 쌍들의 어레이를 포함한다. 칩(300)은 나노포어들에 결합된 세 쌍의 웰들(306A-306B)을 예시하며, 각각의 웰(306A-306B)은 터널(324)에 의해 채널(308)에 결합된다. 도 3b는, 도 3a의 칩(300)의 중앙에 있는 나노포어들(326A-326B)의 근접확대를 예시한다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 나노포어들(326A 및 326B)은 서로에 대해 실질적으로 직각들로 배치된다. 일 실시예에서, 세 쌍의 웰들(306A-306B) 각각은, 생물학적 중합체들 및/또는 거대분자들에 대해 상이한 유체 및 전기적 액세스를 제공하는 것과 같은, 생물학적 중합체들 및/또는 거대분자들을 서열분석하기 위한 별개의 기능을 갖는다. 예컨대, 나노포어들(326A-326B)이 칩(300) 상에 형성된 후에, 샘플 함유 용액은 일반적으로 제1 세트의 웰들(306A-306B)에 퇴적되고, 샘플이 없는 용액은 제2 세트의 웰들(306A-306B) 위에 퇴적된다.
칩(300)의 각각의 채널(308)은, 채널(308)이 칩(300)의 중심을 향해 연장됨에 따라 좁아질 수 있다. 채널(308)은 약 1 ㎛ 내지 20 ㎛의 폭(330)을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 채널들(308)은 약 10 ㎛의 폭(330)을 갖는다. 터널들(324)은, 하나의 채널(308)로부터 다른 채널(308)로 연장되는 약 0.1 ㎛ 내지 0.5 ㎛의 길이(332)를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 터널들(324)은 약 0.25 ㎛의 길이(332)를 갖는다. 다른 실시예에서, 나노포어들(326A-326B)은 서로로부터 1 ㎛ 미만, 예컨대, 서로로부터 100 nm 미만으로 이격된다. 도 3a 내지 도 3b에서, 채널들(308)은, 나노포어들(326A-326B)이 서로 1 ㎛ 미만으로 이격되는 것을 여전히 허용하면서 최대 20 ㎛의 폭을 갖는다.
나노포어들(326A-326B)이 서로에 대해 실질적으로 직각들로 배치되므로, 나노포어들(326A-326B)이 채널(308)에 의해 분리되지 않기 때문에, 나노포어들(326A 및 326B) 사이의 거리는 채널(308)의 폭(330)에 의존하지 않는다. 더 넓은 채널들(308)을 갖는 것은 터널들(324)이 또한 더 커지는 것을 가능하게 한다. 밀접하게 이격된 나노포어들(326A-326B), 및 더 큰 터널들(324) 및 채널들(308)을 갖는 칩(300)을 활용하는 것은, 더 많은 양의 유체가 채널들(308) 및 터널들(324)을 통과하는 것을 허용하며, 그 결과, 생물학적 중합체들 및/또는 거대분자들을 서열분석할 때 직면하는 전기 저항이 더 적어지게 된다. 그러므로, 더 높은 유량들 및 향상된 전기적 특성들이 달성될 수 있고, 더 큰 생물학적 중합체들 및/또는 거대분자들이 서열분석될 수 있다.
도 3c 내지 도 3d에서, 칩(350)은, 일 실시예에 따른, 평행한 또는 동축으로 정렬된 설계의 웰 쌍들의 어레이를 포함한다. 칩(350)은 나노포어들에 결합된 세 쌍의 웰들(306A-306B)을 예시하며, 각각의 웰(306A-306B)은 터널(324)에 의해 채널(308)에 결합된다. 도 3d는, 도 3c의 칩(350)의 중앙에 있는 나노포어들(326A-326B)의 근접확대를 예시한다. 도 3d에 도시된 바와 같이, 나노포어들(326A 및 326B)은 서로에 대해 실질적으로 평행하거나 동축으로 정렬되게 배치된다. 일 실시예에서, 세 쌍의 웰들(306A-306B) 각각은, 생물학적 중합체들 및/또는 거대분자들에 대해 상이한 유체 및 전기적 액세스를 제공하는 것과 같은, 생물학적 중합체들 및/또는 거대분자들을 서열분석하기 위한 별개의 기능을 갖는다. 예컨대, 나노포어들(326A-326B)이 칩(300) 상에 형성된 후에, 샘플 함유 용액은 일반적으로 제1 세트의 웰들(306A-306B)에 퇴적되고, 샘플이 없는 용액은 제2 세트의 웰들(306A-306B) 위에 퇴적된다.
도 3e 내지 도 3f에서, 칩(370)은, 다른 실시예에 따른, 평면-내 또는 동축으로 정렬된 설계의 웰 쌍들의 어레이를 포함한다. 칩(370)은 나노포어들에 결합된 세 쌍의 웰들(306A-306B)을 예시하며, 각각의 웰(306A-306B)은 터널(324)에 의해 채널(308)에 결합된다. 도 3f는, 도 3e의 칩(370)의 중앙에 있는 나노포어들(326A-326B)의 근접확대를 예시한다. 도 3f에 도시된 바와 같이, 나노포어들(326A 및 326B)은 서로에 대해 실질적으로 평면-내에 있거나 동축으로 정렬되게 배치된다. 나노포어들(326A 및 326B)은 서로 인접하게 또는 실질적으로 평행하게 배치된다. 나노포어들(326A 및 326B)은 서로로부터 거리(372)만큼 이격될 수 있다. 칩(300)과 유사하게, 나노포어들(326A-326B)이 채널(308)에 의해 분리되지 않기 때문에, 나노포어들(326A-326B)이 서로로부터 이격되는 거리(372)는 채널(308)의 폭에 의존하지 않는다. 그에 따라, 더 높은 유량들 및 향상된 전기적 특성들이 달성될 수 있고, 더 큰 생물학적 중합체들 및/또는 거대분자들이 서열분석될 수 있다.
일 실시예에서, 세 쌍의 웰들(306A-306B) 각각은, 생물학적 중합체들 및/또는 거대분자들에 대해 상이한 유체 및 전기적 액세스를 제공하는 것과 같은, 생물학적 중합체들 및/또는 거대분자들을 서열분석하기 위한 별개의 기능을 갖는다. 예컨대, 나노포어들(326A-326B)이 칩(300) 상에 형성된 후에, 샘플 함유 용액은 일반적으로 제1 세트의 웰들(306A-306B)에 퇴적되고, 샘플이 없는 용액은 제2 세트의 웰들(306A-306B) 위에 퇴적된다.
도 3a 내지 도 3f의 실시예들은 이중 나노포어 설계들을 갖는 칩들의 3개의 예일 뿐이며, 위의 실시예들로 제한되지 않는다. 임의의 적합한 이중 나노포어 레이아웃들 또는 설계들이 또한 고려된다.
본 개시내용의 이점들은, 양호하게 제어된 나노포어들 및 매우 근접하게 형성된 나노포어 쌍들을 갖는 나노포어 어레이들을 신속하게 형성하는 능력을 포함한다. 개시된 방법들은 일반적으로, 박막 멤브레인을 통해 크기 및 위치가 양호하게 제어되는 나노포어들을 제공한다. 양호하게 제어된 크기의 나노포어들을 제조하는 방법들은, 높은 수준의 제어를 유지하면서 개선된 신호 대 잡음 비들 및 더 높은 생물학적 중합체들 및/또는 거대분자들의 포착률들을 제공한다. 단일 가닥들의 생물학적 중합체들 및/또는 거대분자들이 더 높은 수집률로 포착될 수 있고 증가된 속도들로 나노포어들을 통해 투과될 수 있으며, 이는, 나노포어를 통과하는 전류의 변화를 증가시킨다. 따라서, 양호하게 제어된 나노포어 쌍들을 활용하는 것은 개선된 DNA 서열 판독을 제공한다.
전술한 내용이 본 개시내용의 양상들에 관한 것이지만, 본 개시내용의 다른 그리고 추가적인 양상들이 본 개시내용의 기본적인 범위로부터 벗어나지 않으면서 고안될 수 있으며, 본 개시내용의 범위는 하기의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (15)

  1. 복수의 나노포어들을 형성하기 위한 방법으로서,
    기판 상에 제1 층을 증착하는 단계;
    상기 제1 층 및 상기 기판에 복수의 웰들 및 하나 이상의 채널을 형성하는 단계 ― 상기 복수의 웰들 각각은 상기 하나 이상의 채널 중의 한 채널에 인접해 있음 ―;
    상기 복수의 웰들을 인접한 채널에 연결하기 위해, 노출된 측벽의 부분을 측방향으로 식각하는 단계; 및
    상기 복수의 웰들 각각을 상기 인접한 채널에 연결하는 나노포어들을 형성하는 단계를 포함하는, 복수의 나노포어들을 형성하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 웰들 각각의 측벽의 부분을 노출시키기 전에, 각각의 노출된 표면을 코팅하기 위해 상기 제1 층, 상기 복수의 웰들, 및 상기 하나 이상의 채널 상에 제2 층을 증착하는 단계를 더 포함하는, 복수의 나노포어들을 형성하기 위한 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 노출된 측벽의 부분을 측방향으로 식각하기 전에, 상기 노출된 측벽의 부분으로부터 상기 제2 층을 선택적으로 식각하는 단계를 더 포함하는, 복수의 나노포어들을 형성하기 위한 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 층은 산화물 포함 층이거나, 또는
    상기 제2 층을 선택적으로 식각하는 단계는 액체 산성 식각을 포함하거나, 또는
    상기 나노포어들을 형성하는 단계는 전압을 인가하는 단계를 포함하는, 복수의 나노포어들을 형성하기 위한 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 결정 구조를 포함하고, 상기 복수의 웰들의 상기 노출된 측벽의 부분을 측방향으로 식각하는 단계는 상기 기판의 결정 구조를 따른 염기성 습식 식각을 포함하는, 복수의 나노포어들을 형성하기 위한 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 층 및 상기 기판에 복수의 웰들 및 하나 이상의 채널을 형성하는 단계는, 상기 제1 층 및 상기 기판에 제1 웰, 제2 웰, 및 채널을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 채널은 상기 제1 웰 및 상기 제2 웰에 인접하게 배치되고,
    상기 복수의 웰들을 인접한 채널에 연결하기 위해, 노출된 측벽의 부분을 측방향으로 식각하는 단계는, 상기 제1 층 아래에 제1 터널을 형성하는 단계, 및 상기 제1 층 아래에 제2 터널을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 터널은 상기 제1 웰과 상기 채널 사이에서 연장되고, 상기 제2 터널은 상기 제2 웰과 상기 채널 사이에서 연장되고,
    상기 복수의 웰들 각각을 상기 인접한 채널에 연결하는 나노포어들을 형성하는 단계는, 상기 제1 터널을 상기 채널에 연결하는 제1 나노포어 및 상기 제2 터널을 상기 채널에 연결하는 제2 나노포어를 형성하는 단계를 포함하는, 복수의 나노포어들을 형성하기 위한 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 나노포어는 상기 제2 나노포어로부터 1 ㎛ 미만에 배치되고, 상기 제1 나노포어는 상기 제2 나노포어에 실질적으로 평행하게 배치되는, 복수의 나노포어들을 형성하기 위한 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 나노포어는 상기 제2 나노포어에 실질적으로 직각으로 배치되는, 복수의 나노포어들을 형성하기 위한 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1 층 아래에 상기 제1 터널 및 상기 제2 터널을 형성하기 전에, 각각의 노출된 표면을 코팅하기 위해 상기 제1 층, 상기 제1 웰, 상기 제2 웰, 및 상기 채널 상에 제2 층을 증착하는 단계를 더 포함하는, 복수의 나노포어들을 형성하기 위한 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 층 아래에 상기 제1 터널 및 상기 제2 터널을 형성하기 전에, 상기 제1 웰의 노출된 측벽의 제1 부분 및 상기 제2 웰의 노출된 측벽의 제2 부분으로부터 상기 제2 층을 선택적으로 식각하는 단계를 더 포함하는, 복수의 나노포어들을 형성하기 위한 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 터널 및 상기 제2 터널은 측방향 식각에 의해 형성되고, 상기 측방향 식각은 상기 기판의 결정 구조를 따른 염기성 습식 식각을 포함하는, 복수의 나노포어들을 형성하기 위한 방법.
  12. 디바이스로서,
    기판 상에 배치되는 제1 층;
    상기 기판 내에 상기 제1 층을 통해 배치되는 제1 웰;
    상기 기판 내에 상기 제1 층을 통해 배치되는 제2 웰;
    상기 제1 웰 및 상기 제2 웰에 인접하게, 상기 기판 내에 상기 제1 층을 통해 배치되는 채널;
    상기 제1 웰 및 상기 채널에 결합되는 제1 측방향으로 식각된 나노포어; 및
    상기 제2 웰 및 상기 채널에 결합되는 제2 측방향으로 식각된 나노포어를 포함하며, 제2 나노포어는 제1 나노포어로부터 1 ㎛ 미만에 배치되는, 디바이스.
  13. 제12항에 있어서,
    측방향으로 식각된 제1 나노포어는 제1 각뿔 형상 터널을 통해 상기 제1 웰에 결합되고, 측방향으로 식각된 제2 나노포어는 제2 각뿔 형상 터널을 통해 상기 제2 웰에 결합되는, 디바이스.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 웰은 상기 제2 웰로부터 1000 nm 미만에 배치되는, 디바이스.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제2 나노포어는 상기 제1 나노포어로부터 1000 nm 미만에 배치되는, 디바이스.
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