WO2023013877A1 - 샘플 고정용 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

샘플 고정용 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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WO2023013877A1
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박정원
강민호
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서울대학교산학협력단
기초과학연구원
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    • G01N2223/3103—Accessories, mechanical or electrical features temperature control cooling, cryostats

Definitions

  • the present invention relates to a device for fixing a sample and a method for manufacturing the same.
  • Cryogenic-electron microscopy is a frequently used method for determining the three-dimensional (3D) structure of proteins because they allow direct observation of protein structures.
  • cryo-electron microscopy is increasingly being used to resolve the structural dynamics of protein molecules, including the effects of drug binding.
  • sample preparation procedures in cryo-electron microscopy are the dominant determinants of image quality or the precise control over ice thickness that can achieve structural resolution is difficult.
  • extensive sample screening is required to identify good sample grids from a batch of samples, which hinders the effectiveness of high-throughput 3D structural analysis.
  • the present invention provides a device for fixing a sample having excellent performance.
  • the present invention provides a method for manufacturing the device for fixing the sample.
  • An apparatus for fixing a sample includes a substrate having a window hole, a first pattern disposed on the substrate and having a sample fixing hole, and a window layer disposed below the first pattern in the window hole. Including, the sample fixing hole is disposed on the window layer.
  • the depth of the sample fixing hole may be adjusted by adjusting the thickness of the first pattern.
  • a plurality of sample fixing holes may be disposed.
  • the window layer may include at least one of graphene oxide, graphene, and molybdenum sulfide (MoS 2 ).
  • the device for fixing the sample may further include a second pattern disposed under the substrate, and the window hole may be exposed by the second pattern.
  • the substrate may include a silicon substrate, and the first pattern and the second pattern may include at least one of silicon nitride, silicon oxide, and aluminum oxide.
  • a method of manufacturing a device for fixing a sample includes preparing a substrate having a first surface and a second surface, forming a first layer on the first surface, and forming a second surface on the second surface. Forming a second layer, patterning the second layer to form a second pattern, etching the substrate using the second pattern as an etching mask, and forming a window hole exposing the first layer. , patterning the first layer to form a first pattern having a sample fixing hole, and forming a window layer in the window hole in contact with the first pattern, wherein the sample fixing hole is the window hole It is formed at a position corresponding to
  • the first layer and the second layer may be formed simultaneously.
  • the substrate may include a silicon substrate, and the first layer and the second layer may be formed of at least one of silicon nitride, silicon oxide, and aluminum oxide.
  • the window layer may be formed of at least one of graphene oxide, graphene, and molybdenum sulfide (MoS 2 ).
  • the depth of the sample fixing hole may be adjusted by adjusting the thickness of the first layer.
  • the sample fixing hole may be formed in plurality.
  • a device for fixing a sample according to embodiments of the present invention may have excellent performance.
  • the device for fixing the sample can uniformly form vitreous ice for analysis objects such as biomolecules and finely adjust the thickness of the vitreous ice, so that it can be applied to a cryogenic electron microscope to perform 3D reconstruction of a biomolecular structure. Efficient and reliable image processing for
  • FIG. 1 shows a device for fixing a sample according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a cross section taken along line A-A in FIG. 1 .
  • 3 to 10 show a method of manufacturing a device for fixing a sample according to an embodiment of the present invention.
  • sample fixing holes (microwells) of various depths of the sample fixing device.
  • FIG. 12 shows an example of a manufacturing process of a device for fixing a sample.
  • first and second are used in this specification to describe various elements, the elements should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish the elements from one another. Also, when an element is referred to as being on another element, it means that it can be formed directly on the other element or a third element may be interposed therebetween.
  • FIG. 1 shows a device for fixing a sample according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a cross section taken along line A-A of FIG. 1 .
  • the sample fixing device 100 includes a substrate 110, a first pattern (sample fixing pattern) 125, a second pattern (mask pattern) 135, and a window layer 140. ) may be included.
  • the substrate 110 has a first surface 111 and a second surface 112 parallel to each other.
  • the substrate 110 has a window hole 110h passing through the substrate 110 .
  • the substrate 110 may be formed of silicon and may have a thickness of 100 ⁇ m.
  • the first pattern 125 is disposed on the first surface 111 of the substrate 110 and has a sample fixing hole 125h for fixing a sample.
  • a plurality of sample fixing holes 125h may be disposed at positions corresponding to the window holes 110h.
  • the first pattern 125 may have a thickness of several tens to hundreds of nm.
  • the depth of the sample fixing hole 125h is the same as the thickness of the first pattern 125, and the depth of the sample fixing hole 125h may be adjusted by adjusting the thickness of the first pattern 125.
  • the sample fixing hole 125h may have a diameter of, for example, 2 ⁇ m.
  • the sample contact hole 125h may be disposed on the window layer 140 to function as a microwell.
  • the sample fixing hole 125h may accommodate and fix various analysis objects.
  • the sample fixing hole 125h may accommodate and fix biomolecules, and a cryogenic electron microscope may perform 3D imaging of the biomolecules.
  • a cryogenic electron microscope may perform 3D imaging of the biomolecules.
  • vitreous ice can be formed to a uniform thickness in the sample fixing hole 125h, efficient and reliable image processing for 3D reconstruction of biomolecular structures is possible.
  • the first pattern 125 may be formed by performing a chemical vapor deposition (CVD) process to form the first layer and then performing a photolithography process to pattern the first layer.
  • the thickness of the first pattern 125 determines the depth of the sample fixing hole 125h, and when the first layer is deposited by the CVD process, the thickness of the first layer formed by controlling the deposition time is adjusted.
  • the thickness of (125) can be adjusted.
  • the first pattern 125 may be formed of at least one of silicon nitride, silicon oxide, and aluminum oxide. Also, the first pattern 125 may be formed of the same material as the second pattern 135 .
  • the second pattern 135 is disposed on the second surface 112 of the substrate 110 and has a hole corresponding to the window hole 110h.
  • the second pattern 135 may function as an etching mask when the substrate 110 is etched to form the window hole 110h.
  • the second pattern 135 may be formed of a material having a different etching selectivity with respect to the substrate 110 .
  • the second pattern 135 may be formed of the same material as the first pattern 125 .
  • the second pattern 135 may be formed of at least one of silicon nitride, silicon oxide, and aluminum oxide.
  • the second pattern 135 may be formed by performing a chemical vapor deposition (CVD) process to form the second layer and then performing a photolithography process to pattern the second layer.
  • CVD chemical vapor deposition
  • the window layer 140 is disposed under the first pattern 125 in the window hole 110h.
  • the window layer 140 contacts the lower surface of the first pattern 125 to allow the sample contact hole 125h to function as a microwell.
  • the window layer 140 may be formed of at least one of graphene oxide, graphene, and molybdenum sulfide (MoS 2 ) and may have a thickness of 4 nm.
  • MoS 2 molybdenum sulfide
  • the window layer 140 turns over the substrate so that the first pattern 125 is disposed under the substrate, and then provides a graphene oxide solution to the window hole 110h to form graphene oxide on the first pattern 125 . It can be formed by transcription.
  • 3 to 10 show a method of manufacturing a device for fixing a sample according to an embodiment of the present invention.
  • a first layer 120 is formed on the first surface 111 of the substrate 110 and a second layer 130 is formed on the second surface 112 of the substrate 110 .
  • the substrate 110 may be a silicon substrate and may have a thickness of 100 ⁇ m.
  • the first layer 120 and the second layer 130 are formed at the same time, but is not limited thereto, and may be formed sequentially.
  • the first layer 120 and the second layer 130 may be formed of at least one of silicon nitride, silicon oxide, and aluminum oxide by performing a chemical vapor deposition process.
  • the thicknesses of the first layer 120 and the second layer 130 may be controlled by the deposition time of the chemical vapor deposition process.
  • the first layer 120 and the second layer 130 may have a thickness of several tens to hundreds of nm.
  • a photoresist pattern 210 is formed on the second layer 130, and the second layer 130 is etched using the photoresist pattern 210 as an etching mask to form the second pattern. (135).
  • the substrate 110 is exposed by the second pattern 135 .
  • the photoresist pattern 210 is removed and the substrate 110 is etched using the second pattern 135 as an etching mask to form a window hole 110h penetrating the substrate 110. .
  • the first layer 120 is exposed through the window hole 110h.
  • the substrate 110 of FIG. 6 is turned over, a photoresist pattern 220 is formed on the first layer 120, and the photoresist pattern 220 is used as an etching mask to form the first layer.
  • a first pattern 125 having a sample fixing hole 125h is formed by the above etching.
  • the sample fixing hole 125h may have a diameter of 2 ⁇ m, and the depth of the sample fixing hole 125h is equal to the thickness of the first pattern 125 .
  • a plurality of sample fixing holes 125h may be formed at positions corresponding to the window holes 110h.
  • the substrate 110 is turned over and a window layer 140 is formed on the first pattern 125 in the window hole 110h.
  • the window layer 140 may be formed of at least one of graphene oxide, graphene, and molybdenum sulfide (MoS 2 ).
  • MoS 2 molybdenum sulfide
  • the window layer 140 may be formed by providing a graphene oxide solution to the window hole 110h and transferring the graphene oxide to the first pattern 125 .
  • sample fixing holes (microwells) of various depths of the sample fixing device.
  • a silicon nitride pattern having a sample fixing hole (microwell) filled with a sample to be analyzed may be formed to have a controlled thickness, such as 25 nm, 50 nm, or 100 nm.
  • the device for fixing the sample may control the thickness of the silicon nitride pattern (Micropatterned Si x N y ) to adjust the depth of the sample fixing hole (microwell), thereby adjusting the sample fixing hole (microwell) according to the size of the material to be analyzed.
  • the thickness of the vitreous ice formed in the microwells can be easily controlled.
  • FIG. 12 shows an example of a manufacturing process of a device for fixing a sample.
  • a device for fixing a sample may be formed using micro-electro-mechanical system (MEMS) technology and a 2D nanosheet transfer method.
  • MEMS micro-electro-mechanical system
  • a device for fixing a sample can be easily mass-produced using a silicon nitride pattern. For example, about 500 sample-holding devices can be produced from a single silicon wafer with a diameter of 4 inches through photolithography and dry and wet etching processes.
  • a silicon nitride layer (Si x N y ) is formed by performing a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process on both surfaces (first and second surfaces) of a silicon wafer having a thickness of 100 ⁇ m.
  • LPCVD low pressure chemical vapor deposition
  • a first silicon nitride layer is formed on a first side of the silicon wafer, and a second silicon nitride layer is formed on a second side.
  • the thickness of the second silicon nitride layer determines the depth of the microwell (sample fixing hole) and can be controlled by the deposition time when the silicon nitride layer is deposited by performing an LPCVD process.
  • a silicon nitride layer having a thickness of several tens of nanometers may be stably formed by the LPCVD process.
  • the silicon nitride layer is deposited in three thicknesses: 25 nm, 50 nm, and 100 nm.
  • Hexamethyldisizazne is spin-coated on the first silicon nitride layer using a spin coater at 3000 rpm for 30 seconds.
  • the wafer is baked on a hot plate at 95° C. for 30 seconds to functionalize the wafer surface hydrophobically for good adhesion with the photoresist.
  • a positive photoresist is spin coated over the first silicon nitride layer.
  • the photoresist-coated wafer is baked at 110° C. for 50 seconds. After patterning the photoresist, rinse the silicon wafer with deionized water and dry it completely by blowing N 2 gas on the wafer surface.
  • the first silicon nitride layer is patterned by performing reactive ion etching (RIE) with sulfur hexafluoride (SF 6 ) gas (3 sccm) at an RF power of 50 W to form a first silicon nitride pattern.
  • RIE reactive ion etching
  • SF 6 sulfur hexafluoride
  • the photoresist is removed by placing the silicon wafer in acetone for 30 minutes.
  • the silicon wafer is rinsed with deionized water.
  • a hole (window hole) penetrating the silicon wafer is formed by etching the silicon wafer using the first silicon nitride pattern as an etching mask in a potassium hydroxide solution (KOH, 1.5M) at 80°C.
  • KOH, 1.5M potassium hydroxide solution
  • the photoresist is patterned.
  • a reactive ion etch is performed to pattern the second silicon nitride layer to form a second silicon nitride pattern.
  • the second silicon nitride pattern has a sample fixing hole formed at a position corresponding to the window hole of the silicon wafer.
  • the sample fixing hole has a diameter of 2 ⁇ m.
  • the photoresist is removed by immersing the silicon wafer in a 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) solution at 60° C. for 12 hours and then rinsing with deionized water.
  • a photoresist residue is completely removed by performing an O 2 plasma process using O 2 gas (100 sccm) at an RF power of 200 W.
  • a graphene oxide layer (graphene oxide window) is formed on the lower surface of the second silicon nitride pattern in the window hole. One side of the sample fixing hole of the second silicon nitride pattern is blocked with a graphene oxide layer to function as a microwell.
  • the graphene oxide layer may be formed by a drop casting method or a float casting method.
  • the drop casting method is as follows.
  • GO graphene oxide
  • the float casting method is as follows.
  • a dispersant solution is prepared by mixing deionized water and methanol in a 1:5 volume ratio.
  • the graphene oxide solution is diluted to 0.2 mg/ml with a dispersant solution and sonicated for 10 minutes.
  • the bottom surface of the device on which the second silicon nitride pattern is formed is positively charged using a glow discharger at 15 mA for 30 seconds.
  • the glow-discharged device was placed inside a Petri dish (6.5 cm in diameter) with deionized water on a SUS mesh with the bottom of the device facing upward.
  • 1 ml of graphene oxide solution is applied to the surface of deionized water in a Petri dish. Drain the water at a drainage rate of 1 ml/min using a peristaltic pump. After the deionized water is completely drained, the graphene oxide-transferred device is dried at room temperature overnight.
  • the existence of a thin graphene oxide layer blocking the sample fixing hole is confirmed by Raman spectrum.
  • the Raman spectrum of the fixed hole region of the sample shows strong D and G bands at 1345 and 1602 cm ⁇ 1 , respectively, and the I D /I G ratio is 0.99.
  • a 1:1 ratio of D and G peaks is characteristic of 2D graphene oxide nanosheets.
  • the average coverage of graphene oxide is determined to be 99.4 ⁇ 0.6% based on SEM observations.
  • the graphene oxide layer is also confirmed by HRTEM images and electron diffraction patterns.
  • the HRTEM image clearly shows defect-free crystalline graphene oxide with a measured lattice spacing of 0.25 nm, corresponding to that of graphene oxide.
  • the thickness of the graphene oxide layer was measured to be 4 nm, indicating multi-layers of graphene oxide.
  • the 4nm-thick graphene oxide layer is defect-free with uniform contrast throughout the 2 ⁇ m sample fixation hole with minimal impact on TEM resolution, an important requirement for efficient cryogenic electron microscopy imaging.
  • the thickness of the graphene oxide layer may be adjusted according to the graphene oxide transfer method and the concentration of the graphene oxide solution.
  • a very flat graphene oxide layer without noticeable wrinkles can be formed by drop casting using a small amount of graphene oxide solution.
  • the graphene oxide layer formed by drop casting is almost invisible even at high defocus values due to its flatness and low background signal.
  • the drop casting method guarantees nearly 100% graphene oxide coverage for the device for holding the sample.
  • Float casting also forms a graphene oxide layer with a high hole coverage of about 99.0%, with the advantage of transferring graphene oxide to multiple devices in one transfer process.
  • a device for fixing a sample having a graphene oxide layer at three depths of 25, 50, and 100 nm of the sample fixing hole was fabricated and observed by SEM and TEM.
  • the sample fixing hole of the silicon nitride pattern and the microwell structure defined by the graphene oxide layer were clearly shown in the SEM image, confirming the transfer of the graphene oxide layer.
  • the thickness of the silicon nitride pattern was measured to be 28 ⁇ 2 nm, 48 ⁇ 2 nm, and 103 ⁇ 1 nm, confirming that the thickness of the silicon nitride pattern and the depth of the sample fixing hole were controlled.
  • the thickness of the ice formed inside the sample fixing hole at a depth of 25, 50 or 100 nm is 29 ⁇ 3 nm, 58 ⁇ 9 nm, or 104 ⁇ 9 nm, respectively, indicating that the depth of the sample fixing hole can determine the thickness of the vitreous ice.
  • the thickness of the vitreous ice was measured across the plurality of sample holding holes formed in the sample holding device, as indicated by the narrow distribution of the histogram for the measured vitreous ice thickness. uniform throughout As described above, vitreous ice having a uniform and accurate thickness can be formed by using a sample fixing device having a sample fixing hole (microwell) having a controlled depth.
  • the thickness of the vitreous ice formed in the sample fixing hole of the sample fixing device was evaluated by energy filtered TEM (EFTEM), and the uniform thickness of the vitreous ice was confirmed over the entire area of the sample fixing hole.
  • EFTEM energy filtered TEM
  • the graphene oxide layer of the sample-holding device improves the ice thickness uniformity by reducing the exposed water-air interface.
  • the uniform thickness of ice formed in the sample fixing hole enables efficient and reliable image processing for 3D reconstruction of biomolecular structures.
  • the number density of HIV-1 particles in the sample fixing hole of the sample fixing device is 2/m 2
  • the number density of the hole in the carbon grid is only 1/m 2 .
  • Concentrating biomolecules in the imaging area of a device for fixing a sample can reduce the required number of images and imaging time, thereby improving imaging for analyzing the biomolecular structure of a sample.
  • a device for fixing a sample having a graphene oxide layer can reduce the amount of biomolecules used, thereby reducing cost.
  • various types of materials can be observed with a sample fixing device with a graphene oxide layer (graphene oxide window) by selecting sample fixing holes of different depths according to the size of the material.
  • tau protein fibrillated with heparin is visualized with a cryo-electron microscope using a sample holding device having a sample holding hole of 100 nm depth.
  • the fibril morphology and width (approximately 10 nm) of the tau protein are almost identical to those observed in conventional cryo-electron microscopy, but show a more twisted contour, potentially allowing more physiological states of tau fibrils to be analyzed.
  • inorganic materials such as Fe 2 O 3 nanoparticles, Au nanoparticles (AuNP), and silica nanoparticles can also be irradiated using a sample fixing device having sample fixing holes with depths of 100, 50, and 25 nm, respectively.
  • the device for fixing the sample enables efficient and high-throughput 3D structural analysis with cryo-electron microscopy.
  • a device for fixing a sample according to embodiments of the present invention may have excellent performance.
  • the device for fixing the sample can uniformly form vitreous ice for analysis objects such as biomolecules and finely adjust the thickness of the vitreous ice, so that it can be applied to a cryogenic electron microscope to perform 3D reconstruction of a biomolecular structure. Efficient and reliable image processing for

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Abstract

샘플 고정용 장치 및 그 제조 방법이 제공된다. 상기 샘플 고정용 장치는, 윈도우 홀을 갖는 기판, 상기 기판 위에 배치되고, 샘플 고정 홀을 갖는 제1 패턴, 및 상기 윈도우 홀 내 상기 제1 패턴 아래에 배치되는 윈도우 층을 포함하고, 상기 샘플 고정 홀은 상기 윈도우 층 위에 배치된다. 상기 샘플 고정용 장치의 제조 방법은, 제1 면과 제2 면을 갖는 기판을 준비하는 단계, 상기 제1 면에 제1 층을 형성하고, 상기 제2 면에 제2 층을 형성하는 단계, 상기 제2 층을 패터닝하여 제2 패턴을 형성하는 단계, 상기 제2 패턴을 에칭 마스크로 사용하여 상기 기판을 에칭하여 상기 제1 층을 노출하는 윈도우 홀을 형성하는 단계, 상기 제1 층을 패터닝하여 샘플 고정 홀을 갖는 제1 패턴을 형성하는 단계, 상기 윈도우 홀 내에 상기 제1 패턴과 접촉하는 윈도우 층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 샘플 고정 홀은 상기 윈도우 홀에 대응하는 위치에 형성된다.

Description

샘플 고정용 장치 및 그 제조 방법
본 발명은 샘플 고정용 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
극저온 전자 현미경(Cryogenic-electron microscopy, cryo-EM)은 단백질 구조를 직접 관찰할 수 있기 때문에 단백질의 3차원(3D) 구조를 결정하는데 자주 사용되는 방법이다. 또, 극저온 전자 현미경은 약물 결합의 효과를 포함하여 단백질 분자의 구조적 역학을 해결하는데 점점 더 많이 사용되고 있다.
그러나, 극저온 전자 현미경의 샘플 준비 절차는 이미지 품질의 지배적 결정 요인이나 구조적 해상도를 달성할 수 있는 얼음 두께에 대한 정밀한 제어가 어렵다. 일반적으로 샘플 배치에서 양호한 샘플 그리드를 식별하려면 광범위한 샘플 스크리닝이 필요하며, 이는 높은 처리량의 3D 구조 분석의 효율성을 저해한다.
본 발명은 우수한 성능을 갖는 샘플 고정용 장치를 제공한다.
본 발명은 상기 샘플 고정용 장치의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 명확해 질 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 샘플 고정용 장치는, 윈도우 홀을 갖는 기판, 상기 기판 위에 배치되고, 샘플 고정 홀을 갖는 제1 패턴, 및 상기 윈도우 홀 내 상기 제1 패턴 아래에 배치되는 윈도우 층을 포함하고, 상기 샘플 고정 홀은 상기 윈도우 층 위에 배치된다.
상기 샘플 고정 홀의 깊이는 상기 제1 패턴의 두께를 조절하는 것에 의해 조절될 수 있다. 상기 샘플 고정 홀은 복수개 배치될 수 있다.
상기 윈도우 층은 그래핀 산화물, 그래핀, 황화몰리브덴(MoS2) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 샘플 고정용 장치는 상기 기판 아래에 배치되는 제2 패턴을 더 포함할 수 있고, 상기 제2 패턴에 의해 상기 윈도우 홀이 노출될 수 있다.
상기 기판은 실리콘 기판을 포함할 수 있고, 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴은 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 및 알루미늄 산화물 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 샘플 고정용 장치의 제조 방법은, 제1 면과 제2 면을 갖는 기판을 준비하는 단계, 상기 제1 면에 제1 층을 형성하고, 상기 제2 면에 제2 층을 형성하는 단계, 상기 제2 층을 패터닝하여 제2 패턴을 형성하는 단계, 상기 제2 패턴을 에칭 마스크로 사용하여 상기 기판을 에칭하여 상기 제1 층을 노출하는 윈도우 홀을 형성하는 단계, 상기 제1 층을 패터닝하여 샘플 고정 홀을 갖는 제1 패턴을 형성하는 단계, 상기 윈도우 홀 내에 상기 제1 패턴과 접촉하는 윈도우 층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 샘플 고정 홀은 상기 윈도우 홀에 대응하는 위치에 형성된다.
상기 제1 층 및 상기 제2 층은 동시에 형성될 수 있다. 상기 기판은 실리콘 기판을 포함할 수 있고, 상기 제1 층 및 상기 제2 층은 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 및 알루미늄 산화물 중에서 적어도 하나로 형성될 수 있다.
상기 윈도우 층은 그래핀 산화물, 그래핀, 황화몰리브덴(MoS2) 중에서 적어도 하나로 형성될 수 있다.
상기 샘플 고정 홀의 깊이는 상기 제1 층의 두께를 조절하는 것에 의해 조절될 수 있다. 상기 샘플 고정 홀은 복수개 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 샘플 고정용 장치는 우수한 성능을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 샘플 고정용 장치는 바이오분자 등 분석 대상에 대하여 유리체 얼음을 균일하게 형성할 수 있고 유리체 얼음의 두께를 미세하게 조절할 수 있어, 극저온 전자 현미경에 적용되어 바이오분자 구조의 3D 재구성을 위한 효율적이고 신뢰할 수 있는 이미지 처리가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 고정용 장치를 나타낸다.
도 2는 도 1의 A-A 라인을 따라 취한 단면을 나타낸다.
도 3 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 고정용 장치의 제조 방법을 나타낸다.
도 11은 샘플 고정용 장치의 다양한 깊이의 샘플 고정 홀(마이크로웰)을 나타낸다.
도 12는 샘플 고정용 장치의 제조 과정의 일 예를 나타낸다.
도 13은 샘플 고정용 장치의 그래핀 산화물 층의 라만 스펙트럼을 나타낸다.
도 14는 서로 다른 깊이의 샘플 고정 홀에 형성된 얼음층의 두께를 나타낸다.
도 15는 샘플 고정용 장치의 샘플 고정 홀과 카본 그리드의 마이크로홀에서 관찰되는 바이오소재의 농도를 비교하여 나타낸다.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 요소들(elements)을 기술하기 위해서 사용되었지만, 상기 요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어들은 단지 상기 요소들을 서로 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 또, 어떤 요소가 다른 요소 위에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 요소 위에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.
도면들에서 요소의 크기, 또는 요소들 사이의 상대적인 크기는 본 발명에 대한 더욱 명확한 이해를 위해서 다소 과장되게 도시될 수 있다. 또, 도면들에 도시된 요소의 형상이 제조 공정상의 변이 등에 의해서 다소 변경될 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에서 개시된 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 형상으로 한정되어서는 안 되며, 어느 정도의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 고정용 장치를 나타내고, 도 2는 도 1의 A-A 라인을 따라 취한 단면을 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 샘플 고정용 장치(100)는 기판(110), 제1 패턴(샘플 고정 패턴)(125), 제2 패턴(마스크 패턴)(135), 및 윈도우 층(140)을 포함할 수 있다.
기판(110)은 서로 평행한 제1 면(111)과 제2 면(112)을 갖는다. 기판(110)은 기판(110)을 관통하는 윈도우 홀(110h)을 갖는다. 예를들어, 기판(110)은 실리콘으로 형성될 수 있고, 100㎛의 두께를 가질 수 있다.
제1 패턴(125)은 기판(110)의 제1 면(111)에 배치되고, 샘플을 고정하는 샘플 고정 홀(125h)을 갖는다. 샘플 고정 홀(125h)은 윈도우 홀(110h)에 대응하는 위치에 복수개 배치될 수 있다. 제1 패턴(125)은 수십 ~ 수백nm의 두께를 가질 수 있다. 샘플 고정 홀(125h)의 깊이는 제1 패턴(125)의 두께와 동일하며, 제1 패턴(125)의 두께를 조절하는 것에 의해 샘플 고정 홀(125h)의 깊이도 조절될 수 있다. 샘플 고정 홀(125h)은, 예를 들어, 2㎛의 직경을 가질 수 있다. 샘플 콘택 홀(125h)은 윈도우 층(140) 위에 배치되어 마이크로웰(microwell)로 기능할 수 있다. 샘플 고정 홀(125h)은 다양한 분석 대상을 수용하여 고정시킬 수 있다. 예를 들어, 샘플 고정 홀(125h)은 바이오분자를 수용하여 고정시킬 수 있으며, 극저온 전자 현미경은 바이오분자에 대한 3D 이미징을 수행할 수 있다. 또, 샘플 고정 홀(125h)에 유리체 얼음이 균일한 두께로 형성될 수 있어 바이오분자 구조의 3D 재구성을 위한 효율적이고 신뢰할 수 있는 이미지 처리가 가능하다.
제1 패턴(125)은 화학기상증착(CVD) 공정을 수행하여 제1 층을 형성한 후 포토리소그래피 공정을 수행하여 제1 층을 패터닝하는 것에 의해 형성될 수 있다. 제1 패턴(125)의 두께는 샘플 고정 홀(125h)의 깊이를 결정하며, CVD 공정에 의해 제1 층을 증착할 때 증착 시간을 제어하여 형성되는 제1 층의 두께를 조절함으로써 제1 패턴(125)의 두께를 조절할 수 있다. 예를 들어, 제1 패턴(125)은 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 및 알루미늄 산화물 중에서 적어도 하나로 형성될 수 있다. 또, 제1 패턴(125)은 제2 패턴(135)과 같은 물질로 형성될 수 있다.
제2 패턴(135)은 기판(110)의 제2 면(112)에 배치되고 윈도우 홀(110h)에 대응하는 홀을 갖는다. 제2 패턴(135)은 윈도우 홀(110h)을 형성하기 위해 기판(110)을 에칭할 때 에칭 마스크로 기능할 수 있다. 제2 패턴(135)은 기판(110)에 대하여 에칭 선택비가 차이나는 물질로 형성될 수 있다. 또, 제2 패턴(135)은 제1 패턴(125)과 같은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 패턴(135)은 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 및 알루미늄 산화물 중에서 적어도 하나로 형성될 수 있다. 제2 패턴(135)은 화학기상증착(CVD) 공정을 수행하여 제2 층을 형성한 후 포토리소그래피 공정을 수행하여 제2 층을 패터닝하는 것에 의해 형성될 수 있다.
윈도우 층(140)은 윈도우 홀(110h) 내 제1 패턴(125) 아래에 배치된다. 윈도우 층(140)은 제1 패턴(125)의 하부면과 접촉하여 샘플 콘택 홀(125h)이 마이크로웰로 기능할 수 있게 한다. 예를 들어, 윈도우 층(140)은 그래핀 산화물, 그래핀, 황화몰리브덴(MoS2) 중에서 적어도 하나로 형성될 수 있고, 4nm의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 윈도우 층(140)은 제1 패턴(125)이 기판 아래에 배치되도록 기판을 뒤집은 후 그래핀 산화물 용액을 윈도우 홀(110h)에 제공하여 제1 패턴(125)에 그래핀 산화물을 전사함으로써 형성될 수 있다.
도 3 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 고정용 장치의 제조 방법을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 기판(110)의 제1 면(111)에 제1 층(120)을 형성하고, 기판(110)의 제2 면(112)에 제2 층(130)을 형성한다. 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있고, 100㎛의 두께를 가질 수 있다. 본 실시예에서는 제1 층(120)과 제2 층(130)을 동시에 형성하지만 이에 한정되지 않고, 차례로 형성할 수도 있다. 제1 층(120)과 제2 층(130)은 화학기상증착 공정을 수행하여 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 및 알루미늄 산화물 중에서 적어도 하나로 형성될 수 있다. 제1 층(120)과 제2 층(130)의 두께는 화학기상증착 공정의 증착 시간에 의해 조절될 수 있다. 제1 층(120)과 제2 층(130)은 수십 ~ 수백nm의 두께를 가질 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제2 층(130) 위에 포토레지스트 패턴(210)을 형성하고, 포토레지스트 패턴(210)을 에칭 마스크로 사용하여 제2 층(130)을 에칭하여 제2 패턴(135)을 형성한다. 제2 패턴(135)에 의해 기판(110)이 노출된다.
도 6을 참조하면, 포토레지스트 패턴(210)을 제거하고, 제2 패턴(135)을 에칭 마스크로 사용하여 기판(110)을 에칭하여 기판(110)을 관통하는 윈도우 홀(110h)을 형성한다. 윈도우 홀(110h)에 의해 제1 층(120)이 노출된다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 도 6의 기판(110)을 뒤집고 제1 층(120) 위에 포토레지스트 패턴(220)을 형성하고, 포토레지스트 패턴(220)을 에칭 마스크로 사용하여 제1 층(120)을 에칭한다. 상기 에칭에 의해 샘플 고정 홀(125h)을 갖는 제1 패턴(125)이 형성된다. 샘플 고정 홀(125h)은 2㎛의 직경을 가질 수 있고, 샘플 고정 홀(125h)의 깊이는 제1 패턴(125)의 두께와 같다. 샘플 고정 홀(125h)은 윈도우 홀(110h)에 대응하는 위치에 복수개 형성될 수 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 포토레지스트 패턴(220)을 제거한 후 기판(110)을 뒤집고 윈도우 홀(110h) 내 제1 패턴(125) 위에 윈도우 층(140)을 형성한다. 예를 들어, 윈도우 층(140)은 그래핀 산화물, 그래핀, 황화몰리브덴(MoS2) 중에서 적어도 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 윈도우 층(140)은 윈도우 홀(110h)에 그래핀 산화물 용액을 제공하여 제1 패턴(125)에 그래핀 산화물을 전사하는 것에 의해 형성될 수 있다.
도 11은 샘플 고정용 장치의 다양한 깊이의 샘플 고정 홀(마이크로웰)을 나타낸다.
도 11을 참조하면, 분석할 샘플이 충진되는 샘플 고정 홀(마이크로웰)을 갖는 실리콘 질화물 패턴은 25nm, 50nm, 100nm 등 제어된 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 이와 같이, 샘플 고정용 장치는 실리콘 질화물 패턴(Micropatterned SixNy)의 두께를 제어하여 샘플 고정 홀(마이크로웰)의 깊이를 조절할 수 있고, 이에 의해 분석할 재료의 크기에 따라 샘플 고정 홀(마이크로웰)에 형성되는 유리체 얼음의 두께를 쉽게 조절할 수 있다.
도 12는 샘플 고정용 장치의 제조 과정의 일 예를 나타낸다.
도 12를 참조하면, 샘플 고정용 장치는 MEMS (micro-electro-mechanical system) 기술과 2D 나노시트 전사 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 실리콘 질화물 패턴을 이용하여 샘플 고정용 장치를 쉽게 대량 생산할 수 있다. 예를 들어, 포토리소그래피 공정과 건식 및 습식 에칭 공정을 통해 직경이 4인치인 하나의 실리콘 웨이퍼로부터 약 500개의 샘플 고정용 장치를 생산할 수 있다.
두께 100㎛를 갖는 실리콘 웨이퍼의 양쪽 면(제1 면 및 제2 면)에 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition) 공정을 수행하여 실리콘 질화물 층(SixNy)을 형성한다. 실리콘 웨이퍼의 제1 면에 제1 실리콘 질화물 층이 형성되고, 제2 면에 제2 실리콘 질화물 층이 형성된다. 제2 실리콘 질화물 층의 두께는 마이크로웰(샘플 고정 홀)의 깊이를 결정하며, LPCVD 공정을 수행하여 실리콘 질화물 층을 증착할 때 증착 시간에 의해 제어될 수 있다. 상기 LPCVD 공정에 의해 수십 나노미터 두께의 실리콘 질화물 층이 안정적으로 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예들에서 실리콘 질화물 층은 25nm, 50nm, 및 100nm의 세 가지 두께로 증착된다.
제1 실리콘 질화물 층 위에 스핀 코터로 3000rpm에서 30초 동안 HMDS(Hexamethyldisizazne)을 스핀 코팅한다. 포토레지스트와의 우수한 접착력을 위해 웨이퍼 표면을 소수성으로 기능화하기 위해 웨이퍼를 핫 플레이트에서 95℃에서 30초 동안 베이킹한다. 제1 실리콘 질화물 층 위에 포지티브 포토레지스트를 스핀 코팅한다. 포토레지스트가 코팅된 웨이퍼를 110℃에서 50초 동안 베이킹한다. 포토레지스트를 패터닝한 후 실리콘 웨이퍼를 탈이온수로 헹구고 웨이퍼 표면에 N2 가스를 불어넣어 완전히 건조시킨다.
50W의 RF 전력에서 육불화황(SF6) 가스(3sccm)에 의한 반응성 이온 에칭(RIE)을 수행하여 제1 실리콘 질화물 층을 패터닝하여 제1 실리콘 질화물 패턴을 형성한다. 제1 실리콘 질화물 층을 패터닝한 후 실리콘 웨이퍼를 아세톤에 30분 동안 넣어서 포토레지스트를 제거한다. 실리콘 웨이퍼를 탈이온수로 세정한다. 80℃에서 수산화칼륨 용액(KOH, 1.5M)에서 제1 실리콘 질화물 패턴을 에칭 마스크로 사용하여 실리콘 웨이퍼를 에칭하여 실리콘 웨이퍼를 관통하는 홀(윈도우 홀)을 형성한다. KOH 에칭 잔류물을 제거하기 위해 실리콘 웨이퍼를 탈이온수로 세정한다.
제2 실리콘 질화물 층 위에 HMDS와 포토레지스트를 차례로 코팅한 후 포토레지스트를 패터닝한다. 반응성 이온 에칭을 수행하여 제2 실리콘 질화물 층을 패터닝하여 제2 실리콘 질화물 패턴을 형성한다. 제2 실리콘 질화물 패턴은 실리콘 웨이퍼의 윈도우 홀에 대응하는 위치에 형성되는 샘플 고정 홀을 갖는다. 샘플 고정 홀은 2㎛의 직경을 갖는다. 실리콘 웨이퍼를 60℃에서 12시간 동안 NMP(1-methyl-2-pyrrolidinone) 용액에 담그고 탈이온수로 세정하여 포토레지스트를 제거한다. 200W의 RF 전력에서 O2 가스(100 sccm)를 사용하는 O2 플라즈마 공정을 수행하여 포토레지스트 잔류물을 완전히 제거한다.
윈도우 홀 내 제2 실리콘 질화물 패턴의 하부면 위에 그래핀 산화물 층(그래핀 산화물 윈도우)을 형성한다. 제2 실리콘 질화물 패턴의 샘플 고정 홀은 한쪽이 그래핀 산화물 층으로 막히게 되어 마이크로웰로 기능한다. 그래핀 산화물 층은 드롭 캐스팅 방법(Drop casting method) 또는 플로트 캐스팅 방법(Float casting method)으로 형성될 수 있다.
드롭 캐스팅 방법은 다음과 같다.
그래핀 산화물(GO) 용액(2mg/ml)을 탈이온수로 0.2mg/ml로 희석하고 그래핀 산화물 시트의 응집체를 분해하기 위해 10분 동안 초음파 처리한다. 희석된 용액을 300g에서 30초 동안 가볍게 원심분리한다. 그래핀 산화물의 전사 전에 제2 실리콘 질화물 패턴이 형성된 장치의 바닥면을 15mA에서 30초 동안 글로우 방전기를 사용하여 양으로 충전한다. 3㎕의 그래핀 산화물 용액을 상기 장치의 글로우 방전된 면에 떨어뜨린다. 1분 후, 상기 장치 위의 그래핀 산화물 용액을 여과지로 닦아낸다. 그래핀 산화물 층이 전사된 장치를 탈이온수로 세정하고, 상기 장치 위의 탈이온수도 제거한다.
플로트 캐스팅 방법은 다음과 같다.
탈이온수와 메탄올을 1:5 부피비로 혼합하여 분산제 용액을 제조한다. 산화 그래핀 용액을 분산제 용액으로 0.2mg/ml로 희석하고 10분 동안 초음파 처리한다. 그래핀 산화물의 전사 전에 제2 실리콘 질화물 패턴이 형성된 장치의 바닥면을 15mA에서 30초 동안 글로우 방전기를 사용하여 양으로 충전한다. 글로우 방전된 장치를 탈이온수가 있는 페트리 접시(직경 6.5cm) 내부에서 상기 장치의 바닥면이 위쪽으로 향하도록 SUS 메시에 배치한다. 1ml의 그래핀 산화물 용액을 페트리 접시의 탈이온수 표면에 적용한다. 연동 펌프를 사용하여 1ml/min의 배수 속도로 물을 배출한다. 탈이온수가 완전히 배출된 후, 그래핀 산화물이 전사된 장치를 실온에서 밤새 건조시킨다.
도 13은 샘플 고정용 장치의 그래핀 산화물 층의 라만 스펙트럼을 나타낸다.
도 13을 참조하면, 샘플 고정 홀을 막는 얇은 그래핀 산화물 층의 존재는 라만 스펙트럼으로 확인된다. 샘플 고정 홀 영역의 라만 스펙트럼은 각각 1345 및 1602 cm-1에서 강한 D 및 G 밴드를 보여 주며 ID/IG 비율은 0.99이다. D와 G 피크의 1:1 비율은 2차원 그래핀 산화물 나노시트의 특징이다. 그래핀 산화물의 평균 커버리지는 SEM 관찰을 기반으로 99.4±0.6%까지 측정된다. 샘플 고정용 장치에서 그래핀 산화물 층을 형성하면 이미징을 위한 최적의 영역을 찾는데 높은 성공률을 보장할 수 있다. 또 샘플 고정 홀은 규칙적인 패턴으로 배열되기 때문에 대량 데이터 수집을 위해 여러 홀에 걸쳐 자동화된 극저온 전자 현미경 이미징을 사용할 수 있다.
도면에 도시되지 않았지만, 그래핀 산화물 층은 HRTEM 이미지와 전자 회절 패턴에 의해서도 확인된다. HRTEM 이미지는 그래핀 산화물의 격자 간격에 해당하는 0.25nm의 측정된 격자 간격으로 결함이 없는 결정질 그래핀 산화물을 명확하게 보여준다. 그래핀 산화물 층의 두께는 4nm로 측정되며, 이는 그래핀 산화물의 다중층(multi-layers)을 나타낸다. 4nm 두께의 그래핀 산화물 층은 효율적인 극저온 전자 현미경 이미징을 위한 중요한 요구 사항인 TEM 해상도에 미치는 영향을 최소화하면서 2㎛의 샘플 고정 홀 전체에 균일한 콘트라스트로 결함이 없다.
그래핀 산화물 층의 두께는 그래핀 산화물의 전사 방법과 그래핀 산화물 용액의 농도에 따라 조절될 수 있다. 소량의 그래핀 산화물 용액을 사용하여 드롭 캐스팅으로 눈에 띄는 주름이 없는 매우 평평한 그래핀 산화물 층을 형성할 수 있다. 드롭 캐스팅으로 형성된 그래핀 산화물 층은 평탄도와 낮은 배경 신호로 인해 높은 디포커스 값에서도 거의 보이지 않는다. 드롭 캐스팅 방법은 샘플 고정용 장치에 대해 거의 100%의 그래핀 산화물 커버리지를 보장한다. 플로트 캐스팅은 또한 한 번의 전사 공정에서 그래핀 산화물을 여러 장치로 전사하는 이점과 함께 약 99.0%의 높은 홀 커버리지로 그래핀 산화물 층을 형성한다.
샘플 고정 홀의 25, 50 및 100nm의 세 가지 깊이에서 그래핀 산화물 층을 갖는 샘플 고정용 장치를 제조하여 SEM 및 TEM으로 관찰하였다. 실리콘 질화물 패턴의 샘플 고정 홀과 그래핀 산화물 층에 의해 정의되는 마이크로웰 구조가 SEM 이미지에 명확히 나타나 그래핀 산화물 층의 전사가 확인되었다. 또, 실리콘 질화물 패턴의 두께는 28±2nm, 48±2nm, 및 103±1nm로 측정되어 실리콘 질화물 패턴의 두께와 샘플 고정 홀의 깊이가 제어되는 것으로 확인되었다.
도 14는 서로 다른 깊이의 샘플 고정 홀에 형성된 얼음의 두께를 나타낸다.
도 14를 참조하면, 25, 50 또는 100nm 깊이의 샘플 고정 홀 내부에 형성된 얼음의 두께는 각각 29±3nm, 58±9nm 또는 104±9nm이며, 이는 샘플 고정 홀의 깊이가 유리체 얼음의 두께를 결정할 수 있음을 보여준다. 샘플 고정 홀의 깊이가 다른 세 가지 유형의 샘플 고정용 장치 모두에서 유리체 얼음의 두께는 측정된 유리체 얼음의 두께에 대한 히스토그램의 좁은 분포로 표시되는 것처럼 샘플 고정용 장치에 형성된 복수개의 샘플 고정 홀 전체에 걸쳐 균일하다. 이와 같이, 깊이가 조절된 샘플 고정 홀(마이크로웰)을 갖는 샘플 고정용 장치를 사용하여 균일하고 정확한 두께의 유리체 얼음을 형성할 수 있다. 샘플 고정용 장치의 샘플 고정 홀에서 형성된 유리체 얼음의 두께는 EFTEM(energy filtered TEM)으로 평가되었고, 샘플 고정 홀의 영역 전체에 걸쳐 유리체 얼음의 균일한 두께가 확인되었다. 샘플 고정용 장치의 그래핀 산화물 층은 노출된 물-공기 인터페이스를 줄여 얼음 두께의 균일성을 향상시킨다. 샘플 고정 홀에 형성되는 균일한 두께의 얼음은 바이오분자 구조의 3D 재구성을 위한 효율적이고 신뢰할 수 있는 이미지 처리를 가능하게 한다.
도 15는 샘플 고정용 장치의 샘플 고정 홀과 카본 그리드의 마이크로홀에서 관찰되는 바이오소재의 농도를 비교하여 나타낸다. 샘플 고정용 장치의 그래핀 산화물 층에서 캡처된 생물학적 개체(HIV-1 및 groEL)의 수를 세고, 이를 기존의 카본 그리드의 마이크로홀을 사용하여 얻은 것과 비교하였다.
도 15를 참조하면, 샘플 고정용 장치의 샘플 고정 홀 내 HIV-1 입자의 수 밀도는 2/m2인 반면 카본 그리드의 홀은 1/m2에 불과하다. 이러한 차이는 groEL 단백질 분자의 극저온 전자 현미경 이미징에도 일관되게 관찰된다. 약 950개의 단백질이 샘플 준비 과정에서 샘플 고정용 장치의 샘플 고정 홀의 단위 면적(1m2)에 집중되어 있지만 카본 그리드에서는 1㎛2 당 약 490개의 단백질만 검출된다.
샘플 고정용 장치의 이미징 영역에 바이오분자를 집중하면 필요한 수의 이미지와 이미징 시간을 줄일 수 있으므로 샘플의 바이오분자 구조를 분석하기 위한 이미징을 향상시킬 수 있다. 또, 그래핀 산화물 층을 갖는 샘플 고정용 장치는 사용되는 바이오분자의 양을 줄일 수 있어 비용이 절감된다.
단일 바이오분자 입자 외에도 재료의 크기에 따라 다른 깊이의 샘플 고정 홀을 선택하여 그래핀 산화물 층(그래핀 산화물 윈도우)이 있는 샘플 고정용 장치로 다양한 유형의 재료를 관찰할 수 있다. 예를 들어, 헤파린으로 피브릴화된 타우 단백질은 100nm 깊이의 샘플 고정 홀을 갖는 샘플 고정용 장치를 사용하여 극저온 전자 현미경으로 시각화된다. 타우 단백질의 피브릴 모폴로지와 폭(약 10nm)은 기존의 극저온 전자 현미경에서 관찰된 것과 거의 동일하지만 더 꼬인 윤곽을 보여 잠재적으로 타우 피브릴의 더 많은 생리학적 상태를 분석할 수 있다. 또, Fe2O3 나노입자, Au 나노입자(AuNP) 및 실리카 나노입자와 같은 무기 물질도 각각 100, 50, 및 25nm 깊이의 샘플 고정 홀을 갖는 샘플 고정용 장치를 사용하여 조사될 수 있다. 이와 같이, 샘플 고정용 장치는 극저온 전자 현미경으로 효율적이고 높은 처리량의 3D 구조 분석을 가능하게 한다.
이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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.
본 발명의 실시예들에 따른 샘플 고정용 장치는 우수한 성능을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 샘플 고정용 장치는 바이오분자 등 분석 대상에 대하여 유리체 얼음을 균일하게 형성할 수 있고 유리체 얼음의 두께를 미세하게 조절할 수 있어, 극저온 전자 현미경에 적용되어 바이오분자 구조의 3D 재구성을 위한 효율적이고 신뢰할 수 있는 이미지 처리가 가능하다.

Claims (12)

  1. 윈도우 홀을 갖는 기판;
    상기 기판 위에 배치되고, 샘플 고정 홀을 갖는 제1 패턴; 및
    상기 윈도우 홀 내 상기 제1 패턴 아래에 배치되는 윈도우 층을 포함하고,
    상기 샘플 고정 홀은 상기 윈도우 층 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 샘플 고정용 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플 고정 홀의 깊이는 상기 제1 패턴의 두께를 조절하는 것에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 샘플 고정용 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플 고정 홀은 복수개 배치되는 것을 특징으로 하는 샘플 고정용 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 윈도우 층은 그래핀 산화물, 그래핀, 황화몰리브덴(MoS2) 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 고정용 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 아래에 배치되는 제2 패턴을 더 포함하고,
    상기 제2 패턴에 의해 상기 윈도우 홀이 노출되는 것을 특징으로 하는 샘플 고정용 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판을 포함하고,
    상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴은 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 및 알루미늄 산화물 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 고정용 장치.
  7. 제1 면과 제2 면을 갖는 기판을 준비하는 단계;
    상기 제1 면에 제1 층을 형성하고, 상기 제2 면에 제2 층을 형성하는 단계;
    상기 제2 층을 패터닝하여 제2 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제2 패턴을 에칭 마스크로 사용하여 상기 기판을 에칭하여 상기 제1 층을 노출하는 윈도우 홀을 형성하는 단계;
    상기 제1 층을 패터닝하여 샘플 고정 홀을 갖는 제1 패턴을 형성하는 단계;
    상기 윈도우 홀 내에 상기 제1 패턴과 접촉하는 윈도우 층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 샘플 고정 홀은 상기 윈도우 홀에 대응하는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 샘플 고정용 장치의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 층 및 상기 제2 층은 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 샘플 고정용 장치의 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판을 포함하고,
    상기 제1 층 및 상기 제2 층은 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 및 알루미늄 산화물 중에서 적어도 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 샘플 고정용 장치의 제조 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 윈도우 층은 그래핀 산화물, 그래핀, 황화몰리브덴(MoS2) 중에서 적어도 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 샘플 고정용 장치의 제조 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 샘플 고정 홀의 깊이는 상기 제1 층의 두께를 조절하는 것에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 샘플 고정용 장치의 제조 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 샘플 고정 홀은 복수개 형성되는 것을 특징으로 하는 샘플 고정용 장치의 제조 방법.
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