KR100791335B1 - 마이크로 어레이 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
반응 수율이 향상된 마이크로 어레이의 제조 방법이 제공된다. 마이크로어레이는 마이크로어레이는 기판, 기판 상에 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되며, 분자량이 1,000 내지 10,000인 실록산 수지층, 및 실록산 수지층 상에 커플링된 올리고머 프로브를 포함한다.
(단, 상기 화학식 1 또는 화학식 2에서 상기 R1 및 R2는 각각 탄소수가 1 내지 30인 탄화 수소이고, 상기 X1 및 X2는 하이드록실기, 알데히드기, 카르복실기, 아미노기, 아미드기, 티올기, 할로기, 또는 술포네이트기이다.)
올리고머 프로브, 고정화 브랜치, 커플링, 프로브 셀 액티브
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 어레이의 단면도이다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 어레이의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 어레이의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 어레이의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 어레이의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 어레이의 단면도이다.
도 7 내지 도 12는 도 1에 예시되어 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 어레이의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 중간 단계 구조물들의 단면도들이다.
도 13 및 도 14는 도 2에 예시되어 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 중간 단계 구조물들의 단면도들이다.
도 15는 도 3에 예시되어 있는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 중간 단계 구조물의 단면도이다.
도 16은 도 4에 예시되어 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 중간 단계 구조물의 단면도이다.
도 17 내지 도 18은 도 5에 예시되어 있는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 중간 단계 구조물들의 단면도들이다.
도 19는 도 6에 예시되어 있는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 중간 단계 구조물들의 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110: 기판 120: 프로브 셀 액티브
130: 프로브 셀 분리 영역 140: 링커
150: 작용기 165: 올리고머 프로브
본 발명은 마이크로 어레이 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 올리고머 프로브가 커플링되어 있는 마이크로 어레이 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 들어 게놈 프로젝트가 발전하면서 다양한 유기체의 게놈 뉴클레오타이드 서열이 밝혀짐에 따라 바이오 폴리머 마이크로칩, 그 중에서도 마이크로 어레이에 대한 관심이 증가하고 있다. 마이크로 어레이는 유전자 발현 분석(expression profiling), 유전자형 분석(genotyping), SNP와 같은 돌연 변이(mutation) 및 다형(polymorphism)의 검출, 단백질 및 펩티드 분석, 잠재적인 약의 스크리닝, 신약 개발과 제조 등에 널리 사용되고 있다.
상기 열거된 분석이나 검출을 위해 마이크로 어레이는 기판 상에 다수의 올리고머 프로브를 구비한다. 다수의 올리고머 프로브는 영역별로 서로 다른 서열을 가지며 기판 상에 고정되어 있다. 그런데, 현재 마이크로 어레이의 기판으로 널리 사용되는 유리 기판 또는 실리콘 기판은 표면에 올리고머 프로브와 커플링할 수 있는 작용기가 없거나, 그 수가 적다. 따라서, 보다 안정적이고 집적된 올리고머 프로브의 고정화를 위해 기판 상에 이들의 커플링을 매개하는 액티브층이 필요하다.
이와 같은 액티브층으로서, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막의 적용이 연구되고 있다. 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막은 산화 공정이나 화학 기상 증착 등의 방법으로 적층된다. 그러나 상기 적층 공정은 높은 온도에서 장시간동안 진행되므로, 공정 효율을 저하시키는 원인이 된다. 뿐만 아니라, 타겟 샘플을 올리고머 프로브에 상보적으로 혼성화(complementary hybridization)할 경우 타겟 샘플과 올리고머 프로브와의 자유로운 상호작용이 이루어져야 하는데, 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막들은 표면에 노출된 작용기의 길이가 짧아 이들의 자유로운 상호작용을 제약한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기판 상에 올리고머 프로브의 커플링을 매개하고, 타겟 샘플의 자유로운 상호작용을 위한 공간적 마진을 제공할 수 있는 마이크로 어레이를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 기판 상에 상기한 바와 같은 마이크로 어레이의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로어레이는 기판, 상기 기판 상에 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되며, 분자량이 1,000 내지 10,000인 실록산 수지층, 및 상기 실록산 수지층 상에 커플링된 올리고머 프로브를 포함한다.
화학식 1
화학식 2
(단, 상기 화학식 1 또는 화학식 2에서 상기 R1 및 R2는 각각 탄소수가 1 내지 30인 탄화 수소이고, 상기 X1 및 X2는 하이드록실기, 알데히드기, 카르복실기, 아미노기, 아미드기, 티올기, 할로기, 또는 술포네이트기이다.)
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 어레이의 제조 방법은 기판을 제공하고, 상기 기판 상에 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되며, 분자량이 1,000 내지 10,000인 실록산 수지층을 형성하고, 상기 실록산 수지층에 올리고머 프로브를 커플링하는 것을 포함한다.
화학식 1
화학식 2
(단, 상기 화학식 1 또는 화학식 2에서 상기 R1 및 R2는 각각 탄소수가 1 내지 30인 탄화 수소이고, 상기 X1 및 X2는 하이드록실기, 알데히드기, 카르복실기, 아미노기, 아미드기, 티올기, 할로기, 또는 술포네이트기이다.)
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발 명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다. 그리고, ″및/또는″은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또, 이하 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 또한 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로 어레이의 제조 방법에 대해 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법으로 마이크로 어레이에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 어레이의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 마이크로 어레이(100)는 기판(110), 기판(110) 상에 형성되며 실록산 수지층으로 이루어진 다수의 프로브 셀 액티브(120), 프로브 셀 액티브(120) 상에 커플링된 다수의 올리고머 프로브(165), 다수의 프로브 셀 액티브(120)를 분리하며, 올리고머 프로브(165)와 커플링되지 않는 프로브 셀 분리 영역(130)을 포함한다.
올리고머는 공유 결합된 두개 이상의 모노머(monomer)로 이루어진 폴리머(polymer)로서, 분자량이 대략 1000 이하의 것을 지칭할 수 있으나, 상기 수치에 한정되는 것은 아니다. 올리고머는 약 2 내지 500개의 모노머, 바람직하기로는 5 내지 30개의 모노머를 포함할 수 있다. 모노머는 마이크로 어레이에 고정된 프로브의 종류에 따라 뉴클레오사이드, 뉴클레오타이드, 아미노산, 펩티드 등이 될 수 있다.
뉴클레오사이드 및 뉴클레오타이드는 공지의 퓨린 및 피리미딘 염기를 포함할 뿐만 아니라, 메틸화된 퓨린 또는 피리미딘, 아실화된 퓨린 또는 피리미딘 등을 포함할 수 있다. 또, 뉴클레오 사이드 및 뉴클레오타이드는 종래의 리보스 및 디옥시리보스 당을 포함할 뿐만 아니라, 하나 이상의 하이드록실기가 할로겐 원자 또는 지방족으로 치환되거나 에테르, 아민 등의 작용기가 결합한 변형된 당을 포함할 수 있다.
아미노산은 자연에서 발견되는 아미노산의 L-, D-, 및 비키랄(nonchiral)형 아미노산 뿐만 아니라, 변형 아미노선(modified amino acid), 또는 아미노산 유사체(analog) 등일 수 있다.
펩티드는 아미노산의 카르복실기와 다른 아미노산의 아미노기 사이의 아미드 결합에 의해 생성된 화합물을 지칭한다.
따라서, 올리고머 프로브(165)는 두개 이상의 뉴클레오사이드, 뉴클레오타이드, 아미노산, 펩티드 등으로 이루어질 수 있다.
기판(110)은 가요성(flexible) 또는 강성(rigid) 기판일 수 있다. 적용되는 가요성 기판의 예로는 나일론, 니트로셀룰로오스 등의 멤브레인 또는 플라스틱 필름 등을 들 수 있다. 강성 기판으로는 실리콘 기판, 소다 석회 유리로 이루어진 투명 유리 기판 등이 예시될 수 있다. 실리콘 기판 또는 투명 유리 기판의 경우에는 혼성화 과정 동안 비특이적 결합이 거의 일어나지 않는다. 또, 실리콘 기판 또는 투명 유리 기판은 반도체 소자의 제조 공정 또는 LCD 패널의 제조 공정 등에서 이미 안정적으로 확립되어 적용되고 있는 다양한 박막의 제조 공정 및 사진 식각 공정 등이 그대로 적용될 수 있는 장점이 있다.
기판(110) 위에는 실록산 수지층으로 이루어진 다수의 프로브 셀 액티브(120)가 형성되어 있다. 실록산 수지층은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되며, 분자량이 1,000 내지 10,000인 실록산 수지를 포함한다.
화학식 1
화학식 2
상기 화학식 1 또는 2에서 상기 R1 및 R2는 각각 탄소수가 1 내지 30인 탄화 수소일 수 있다. 예를 들어, 직쇄 또는 분지형의 알킬 그룹, 알케닐 그룹, 또는 알키닐 그룹이거나, 환형의 사이클로 알킬 그룹, 사이클로 알케닐 그룹일 수 있다. R1 또는 R2의 적어도 일부는 프로브 셀 액티브(120)의 표면에 노출되어 고정화 브랜치(123)가 된다. 고정화 브랜치(123)에 올리고머 프로브(165)가 직접 커플링되는 경우, 올리고머 프로브(165)와 타겟 샘플의 자유롭게 상호작용, 예컨대 혼성화가 일어나도록 하는 공간적 마진(margine)을 제공하기 위해, R1 및 R2는 각각 탄소수가 5 이상인 것이 바람직하다. 한편, 고정화 브랜치(123)의 구조적 안정성 관점에서 R1 및 R2의 바람직한 탄소수는 15이하일 수 있다.
또한, 상기 화학식 1 또는 2에서 X1 및 X2는 각각 올리고머 프로브(165) 또는 링커(140)와 커플링할 수 있는 작용기(124)일 수 있다. 예컨대, 하이드록실기, 알데히드기, 카르복실기, 아미노기, 아미드기, 티올기, 할로기, 또는 술포네이트기 등일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
프로브 셀 액티브(120)의 표면에 노출되어 있는 적어도 일부의 고정화 브랜치(123)의 말단은 올리고머 프로브(165) 또는 링커(140)와 커플링되어 있다. 프로브 셀 액티브(120)의 표면에 노출되어 있는 고정화 브랜치(123)의 일부는 올리고머 프로브(165) 또는 링커(140)와 커플링되어 있지 않으며, 말단에 작용기(124)가 잔류할 수 있다. 잔류하는 작용기(124)는 캡핑기(155)에 의해 비활성 캡핑된 것일 수 있다.
프로브 셀 액티브(120) 상에는 올리고머 프로브(165)와의 커플링을 매개하는 링커(140)가 더 형성될 수 있다. 링커(140)는 인-시츄 합성시 각 프로브 셀 액티브(120)마다 서로 다른 서열의 올리고머 프로브(165)가 합성되도록 선택적 활성화 특성을 제공할 수 있다. 또, 링커(140)는 프로브 셀 액티브(120) 표면에 노출된 고정화 브랜치(123)의 길이가 충분하지 않은 경우, 이를 대신해 혼성화를 위한 공간 적 마진을 제공할 수 있다. 이를 위해 링커(140) 분자는 예컨대 6 내지 50atoms의 길이를 가질 수 있다.
링커(140)는 프로브 셀 액티브(120)의 고정화 브랜치(123)에 결합되어 있는 작용기(124)와 커플링할 수 있는 커플링기를 포함하며, 동시에 올리고머 프로브(165)와 커플링할 수 있는 작용기(150)를 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 링커(140)는 상기 커플링기에 의해 프로브 셀 액티브 표면에 노출된 고정화 브랜치(123)와 커플링되며, 상기 작용기(150)에 의해 올리고머 프로브(165)와 커플링된다. 커플링되지 않은 작용기(150)는 캡핑기(155)에 의해 비활성 캡핑되어 있을 수 있다.
한편, 고정화 브랜치(123) 자체의 길이가 길어서 혼성화를 위한 공간적 마진이 충분히 확보되어 있으며, 각 프로브 셀 액티브(120)에 따른 선택적 활성화 수단, 또는 선택적 커플링 수단을 구비하는 경우 링커(140)가 생략될 수 있음은 물론이다.
프로브 셀 분리 영역(130)은 실록산 수지층이 제거되어 있으며, 기판(120)의 표면이 직접 노출되어 있다. 각 프로브 셀 액티브(120)는 프로브 셀 분리 영역(130)을 기준으로 서로 분리되어 있다. 각각의 분리된 프로브 셀 액티브(120) 내에는 동일 서열의 올리고머 프로브(165)가 커플링되어 있을 수 있다. 서로 다른 프로브 셀 액티브(120)에는 다른 서열의 올리고머 프로브(165)가 커플링되어 있을 수 있다.
상기한 바와 같이 프로브 셀 분리 영역(130)에서는 실록산 수지층을 포함하 지 않고, 기판(120)의 표면이 직접 노출되어 있기 때문에, 올리고머 프로브(165)와 커플링할 수 있는 작용기(124, 150)가 거의 없다. 따라서, 원하지 않는 올리고머 프로브(165)의 커플링에 따른 노이즈 발생도 거의 없다.
본 실시예에서, 프로브 셀 액티브(120)는 표면에 탄소수가 1 내지 30개, 바람직하기로는 5 내지 15개의 탄화 수소로 이루어진 고정화 브랜치(123)가 노출되어 있기 때문에, 추가적인 구조물 없이 올리고머 프로브(165)와 직접 커플링할 수 있으며, 프로브 셀 액티브(120) 자체로서 타겟 샘플의 자유로운 상호작용을 위한 공간적 마진을 확보할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 어레이의 단면도이다.
도 2을 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 어레이(101)는 기판(110)의 전면에 형성된 커플링 블록킹막(132)을 포함하며, 프로브 셀 액티브(120)가 기판(110) 위에 직접 형성되지 않고, 커플링 블록킹막(132) 상에 형성된 점이 도 1의 실시예와 다르다. 프로브 셀 분리 영역(130)에는 커플링 블록킹막(132)이 노출되어 있다. 커플링 블록킹막(132)은 플루오르 실란막과 같이 불소기를 포함하는 불화물일 수 있다. 또, 커플링 블록킹막(132)은 실리사이드막, 폴리실리콘막 또는 Si, SiGe 등의 에피택셜막일 수 있다. 본 실시예에서는 프로브 셀 분리 영역(130)에서 커플링 블록킹막(132)에 의해 올리고머 프로브(165)와 커플링되는 작용기(124, 150)가 전혀 없기 때문에, 노이즈 발생이 더욱 방지될 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 어레이의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 어레이(102)는 프로브 셀 분리 영역(130)에 올리고머 프로브(165) 또는 모노머의 커플링 블록킹 특성을 갖는 커플링 블록킹 충진재(134)가 충진되어 있는 점이 도 1의 실시예와 다르다. 커플링 블록킹 충진재(134)는 불소기를 포함하는 불화물, 폴리실리콘막 등일 수 있다. 본 실시예의 경우에도 프로브 셀 분리 영역(130)이 커플링 블록킹 충진재(134)로 충진되어 표면에 올리고머 프로브(165)와 커플링되는 작용기(124, 150)가 전혀 없기 때문에, 노이즈 발생이 더욱 방지될 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 어레이의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 어레이(103)는 프로브 셀 분리 영역(130)에 프로브 셀 액티브(120) 사이를 충진하는 충진재(134) 및 그 위에 형성된 커플링 블록막(138)이 형성되어 있다. 이 경우 충진재(134)는 반드시 커플링 블록킹 특성을 갖는 물질로 형성될 필요는 없다. 본 실시예의 경우에도 프로브 셀 분리 영역(130)이 충진재(134) 및 커플링 블록막(138)으로 덮여 있어 표면에 올리고머 프로브(165)와 커플링되는 작용기(124, 150)가 전혀 없기 때문에, 노이즈 발생이 더욱 방지될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 어레이의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 어레이(104)는 프로브 셀 액티브(121)가 3차원 표면을 가지는 점이 도 1의 실시예와 차이가 있다. 여기서, 3차원 표면이란 프로브 셀 액티브(121) 내에 형성된 하나 이상의 그루브(G) 등에 의해 프로브 셀 액티브(121) 표면이 3차원 구조를 나타내는 것을 지칭한다. 3차원 구조를 나타낼 수 있는 구조라면 그루브(G)에 한정되지 않음 물론이다. 이와 같은 3차원 표면은 동일 디자인 룰이 적용되는 마이크로 어레이에 비해 올리고머 프로브(165)가 커플링될 수 있는 면적을 증대시킨다. 따라서, 동일 디자인 룰이 적용되는 마이크로 어레이에 비해 각 프로브 셀 액티브(121)에 커플링되는 올리고머 프로브(165)의 숫자를 증가시킬 수 있다. 그 결과, 디자인 룰이 감소하더라도 원하는 검출 강도를 확보할 수 있다.
또, 상기 실시예들의 조합예로서, 도 2 내지 도 4에 도시된 마이크로 어레이(101-103)의 프로브 셀 액티브(120)가 각각 도 5에 도시된 바와 같은 3차원 표면을 가질 수도 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 어레이의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 어레이(105)는 실록산 수지층(122)이 분리되어 있지 않은 점이 도 1의 실시예와 다르다.
더욱 구체적으로 설명하면 기판 상에 형성된 실록산 수지층(122)은 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되며, 분자량이 1,000 내지 10,000인 실록산 수지로 이루어져 있다.
실록산 수지층(122)은 다수의 올리고머 프로브(165)가 커플링된 다수의 활성화된 프로브 셀 영역 및 활성화된 프로브 셀 영역을 둘러싸며, 올리고머 프로브(165)와 커플링되지 않는 비활성화된 영역을 포함한다.
기능적 관점에서 활성화된 프로브 셀 영역은 도 1의 프로브 셀 액티브(도 1의 '120' 참조)와 실질적으로 동일하고, 비활성화된 영역은 도 1의 프로브 셀 분리 영역(도 1의 '130' 참조)과 실질적으로 동일하다. 다만, 비활성화된 영역의 경우 도 1에서와는 달리 실록산 수지층(122)을 포함하기 때문에 표면에 고정화 브랜치(123)가 위치한다.
비활성화된 영역에서 실록산 수지층(122)의 표면에 노출되어 있는 고정화 브랜치(123)의 말단에는 작용기(124)가 잔류하고, 작용기(124)는 캡핑기(155)에 의해 비활성 캡핑되어 있을 수 있다. 또, 도면에 도시되지는 않았지만, 비활성화된 영역에서 고정화 브랜치(123)의 말단이 링커와 결합되어 있되, 결합된 링커가 비활성화되어 있을 수도 있다. 따라서, 비활성화된 영역에 위치하는 고정화 브랜치에는 올리고머 프로브가 커플링되지 않는다.
이하, 도 7 내지 도 19를 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로 어레이의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 7 내지 도 12는 도 1에 예시되어 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 어레이의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 중간 단계 구조물들의 단면도들이다.
도 7을 참조하면, 먼저 기판(110) 상에 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되며, 분자량이 1,000 내지 10,000인 실록산 수지층(120a)을 형성한다.
화학식 1
화학식 2
상기 화학식 1 또는 2에서 상기 R1 및 R2는 각각 탄소수가 1 내지 30인 탄화 수소일 수 있다. 상기 화학식 1 또는 2에서 X1 및 X2는 각각 올리고머 프로브(165) 또는 링커(140)와 커플링할 수 있는 작용기(124)일 수 있다. 예컨대, 하이드록실기, 알데히드기, 카르복실기, 아미노기, 아미드기, 티올기, 할로기, 또는 술포네이트기 등일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
실록산 수지층(120a)은 예컨대, 슬릿 코팅 또는 스핀 코팅의 방법으로 형성 될 수 있다. 여기서, 슬릿 코팅 또는 스핀 코팅은 산화 공정이나 화학 기상 증착 등에 비하여 간편하며, 공정 시간이 짧기 때문에 공정 효율을 개선할 수 있다.
이어서, 실록산 수지층(120a)을 베이크한다. 베이크 온도는 약 100℃ 내지 400℃, 바람직하기로는 200℃ 내지 300℃의 범위일 수 있다. 베이크 시간은 약 30초 내지 1시간일 수 있다.
상기 베이크의 결과 실록산 수지간에 서로 크로스 링크되어, 실록산 수지층(120a)이 견고해진다. 실록산 수지층(120a) 표면에는 작용기(124)가 결합되어 있는 고정화 브랜치(123)가 노출되어 있다.
도 8을 참조하면, 실록산 수지층(120a) 상에 포토레지스트막(200)을 형성한 후, 프로브 셀 액티브(120)를 정의하는 광마스크(400)를 이용하여 포토레지스트막(200)을 노광한다.
도 9를 참조하면, 노광된 포토레지스트막(200)을 현상하여 포토레지스트 패턴(201)을 형성한 후, 이를 식각 마스크로 이용하여 실록산 수지층(120a)을 식각하여 다수의 프로브 셀 액티브(120)를 형성한다. 이때, 실록산 수지층(120a)이 식각되어 제거된 영역은 기판(110)의 표면을 노출하며, 프로브 셀 분리 영역(130)이 된다.
도 10을 참조하면, 포토레지스트 패턴(201)을 제거하여 프로브 셀 액티브(120)를 완성한다.
도 11을 참조하면, 이어서, 광분해성 보호기(152)가 결합되어 있는 링커(140)를 프로브 셀 액티브(120) 표면의 고정화 브랜치(123)에 결합되어 있는 작 용기(124)에 커플링시킨다. 링커(140)로는 광분해성 보호기(152)가 결합되어 있는 포스포아미디트가 사용될 수 있다. 광분해성 보호기(152)는 o-니트로벤질 유도체 또는 벤질설포닐과 같은 니트로 방향족 화합물을 포함하는 다양한 포지티브 광 분해성기 중에서 선택할 수 있다. 바람직하기로는 광분해성 보호기(152)로는 6-니트로베라트릴록시카보닐(NVOC), 2-니트로 벤질록시카보닐(NBOC) 또는 α,α-디메틸-디메톡시벤질록시카보닐(DDZ), 디메톡시트리틸(DMT) 등이 사용될 수 있다.
링커(140)와의 커플링 후, 표면에 노출되어 있으며, 링커(140)와 결합하지 않은 작용기(124)를 캡핑기(155)를 이용하여 비활성 캡핑시켜, 올리고머 프로브의 노이즈로 작용하지 않도록 한다.
도 12를 참조하면, 올리고머 프로브의 인-시츄 합성을 위하여 원하는 프로브 셀 액티브(120)를 노출시키는 마스크(410)를 사용하여 링커(140)의 말단의 작용기(150)에 결합되어 있는 광분해성 보호기(152)를 탈보호시킨다.
도면에는 도시되어 있지 않으나, 노출된 작용기(150)에 원하는 올리고머 프로브(165)를 커플링시킬 수 있다. 인-시츄 포토리소그래피에 의해 올리고뉴클레오타이드 프로브를 합성할 경우에는 노출된 작용기(150)에 광분해성 보호기가 결합된 뉴클레오타이드 포스포아미디트 모노머를 커플링시키고(coupling), 커플링에 참여하지 않은 작용기를 비활성 캡핑하고(capping), 포스포아미디트와 5'-히드록시기 사이의 결합에 의해 생성된 포스파이트 트리에스터(phosphate trimester) 구조를 포스페이트(phosphate) 구조로 변환시키기 위해 산화(oxidation)시킨다. 이와 같이, 원하는 프로브 셀 액티브(120)를 탈보호하고(deprotection), 원하는 서열의 모 노머를 커플링시키고(coupling), 커플링에 참여하지 않은 작용기를 비활성 캡핑하고(capping), 포스페이트 구조로 변환시키기 위한 산화(oxidation) 공정을 순차적으로 반복 진행하여 원하는 서열의 올리고뉴클레오타이드 프로브(165)를 각 프로브 셀 액티브(120) 별로 합성할 수 있다.
도 13 및 도 14는 도 2에 예시되어 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 중간 단계 구조물들의 단면도들이다.
도 13을 참조하면, 기판(110) 상에 커플링 블록킹막(132), 실록산 수지층(120a), 및 포토레지스트막(210)을 차례대로 형성한다. 이어서, 프로브 셀 액티브(120)를 정의하는 광마스크(420)를 이용하여 포토레지스트막(210)을 노광한다.
도 14를 참조하면, 노광된 포토레지스트막(210)을 현상하여 포토레지스트 패턴(211)을 형성한 후, 이를 식각 마스크로 사용하여 실록산 수지층(120a)을 식각하여 프로브 셀 액티브(120)를 형성하고, 프로브 셀 액티브(120) 사이의 노출된 영역에는 커플링 블록킹막(132)이 노출되어 프로브 셀 분리 영역(130)을 정의하도록 한다. 후속 공정은 도 10 내지 도 12를 참조하여 설명한 방법과 실질적으로 동일하다.
도 15는 도 3에 예시되어 있는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 중간 단계 구조물의 단면도이다.
도 15를 참조하면, 도 7 내지 도 10을 참조하여 설명한 바와 같이 실록산 수지층으로 이루어진 프로브 셀 액티브(120)를 형성한 후, 액티브(120) 사이를 매립 하는 충진막(134a)을 형성한다. 충진막(134a)은 올리고머 커플링의 블록킹 특성을 가지며, 갭필 특성이 좋은 막, 예컨대 플루오르 실란(fluorosilane), 폴리실리콘 등으로 형성할 수 있다.
이어서, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 충진막(134a)을 화학기계적폴리싱 또는 에치백 등으로 평탄화하여 프로브 셀 액티브(120)의 표면이 노출되도록 하고 프로브 셀 액티브(120) 사이를 충진하는 올리고머 프로브(165)의 커플링 블록킹 충진재(134)를 완성한다.
도 16은 도 4에 예시되어 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 중간 단계 구조물의 단면도이다.
도 16을 참조하면, 도 7 내지 도 10을 참조하여 설명한 바와 같이 실록산 수지층으로 이루어진 프로브 셀 액티브(120)를 형성한 후, 액티브(120) 사이를 매립하는 충진재(134)를 형성한다. 이어서, 기판(100) 전면에 커플링 블록킹막(138a)을 형성한다.
이후, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 프로브 셀 액티브(120) 상면에 형성되어 있는 커플링 블록킹막(138a)을 선택적으로 제거하여 충진재(134)와 그 상면의 커플링 블록킹막(138)을 완성한다. 충진재(134)를 폴리실리콘막 또는 Si, SiGe 등의 에피택셜막으로 형성한 후, Co, Ni, Ti 등의 금속막으로 커플링 블록킹막(138a)을 형성한 후 실리사이드화 공정을 거친후 미반응 금속막을 제거함으로써 충진재(134) 상면에만 커플링 블록킹막(138)이 잔류하도록 할 수 있다.
도 17 및 도 18은 도 5에 예시되어 있는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 중간 단계 구조물들의 단면도들이다.
도 17을 참조하면, 도 7 내지 도 10을 참조하여 설명한 바와 같은 방법으로 실록산 수지층(121a)을 패터닝한 후, 포토레지스트막(220)을 도포하고 그루브(G) 패턴을 정의하는 광마스크(430)를 이용하여 포토레지스트막(220)을 노광한다.
도 18을 참조하면, 노광된 포토레지스트막(220)을 현상하여 그루브(G) 패턴을 정의하는 포토레지스트 패턴(221)을 형성한 후, 이를 식각 마스크로 사용하여 식각 공정을 진행하여 내부에 형성된 그루브(G)에 의해 3차원 표면을 구비하는 프로브 셀 액티브(120)를 완성한다.
도 19는 도 6에 예시되어 있는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 올리고머 프로브 어레이의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 중간 단계 구조물들의 단면도이다.
도 19를 참조하면, 도 7을 참조하여 설명한 바와 같은 방법으로 기판(110) 상에 실록산 수지층(122a)을 형성한다. 이어서, 실록산 수지층(122a) 상에 포토레지스트막을 형성하고, 노광 및 식각하여, 비활성화된 영역을 노출하는 포토레지스트 패턴(231)을 형성한다. 이어서, 상기 결과물의 전면을 캡핑기(155)를 이용하여 캡핑한다. 그 결과 비활성화된 영역의 실록산 수지층(122a)에 노출되어 있는 고정화 브랜치(123)의 작용기(124)가 모두 캡핑된다. 이어서, 포토레지스트를 제거하고 도 11 및 도 12에서 설명한 바와 실질적으로 동일한 방법으로 후속 공정을 진행하여 도 6에 도시된 바와 같은 마이크로 어레이를 완성한다.
본 발명에 관한 보다 상세한 내용은 다음의 구체적인 실험예들을 통하여 설명하며, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 설명을 생략한다.
<실험예 1: 프로브 셀 액티브의 제조>
실리콘 기판 상에 상기 화학식 1로 표시되되, R1-X1로서, (CH2)10-OH기를 포함하는 실록산 수지를 스핀 코팅 방법을 사용하여 90nm 두께로 형성하고, 250℃에서 60초간 베이크하였다. 상기 기판위에 포토레지스트막 3.0㎛를 스핀 코팅법에 의해 형성한 후, 100℃에서 60초간 베이크하였다. 1.0㎛ 피치의 바둑판 형태의(checkerboard type) 다크 톤 마스크(dark tone maks)를 사용하여 365nm 파장의 투영 노광 장비에서 포토레지스트막을 노광한 후, 2.38% 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TetraMethylAmmonium Hydroxide) 수용액으로 현상하여 바둑판 형태의 가로 세로 교차되는 직선 영역을 노출시키는 포토레지스트 패턴을 형성하였다. 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 실록산 수지층을 식각하여 프로브 셀 액티브로 패터닝하였다. 이어서, 패터닝된 프로브 셀 액티브 상에 NNPOC-테트라에틸렌글리콜(tetraethyleneglycol)과 테트라아졸(tetrazole)의 1:1 아세토니트릴(acetonitrile) 용액을 처리하여 광분해성기로 보호된 포스포아미디트를 커플링하고, 아세틸 캡핑하여 보호된 링커 구조를 완성하였다.
<실험예 2: 프로브 셀 액티브의 제조>
(CH2)10-OH기 대신에 상기 화학식 1로 표시되되, R1-X1로서, (CH2)10-NH2기를 포함하는 실록산 수지를 사용한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법으로 프로브 셀 액티브를 제조하였다.
<실험예 3: 프로브 셀 액티브의 제조>
(CH2)10-OH기 대신에 상기 화학식 1로 표시되되, R1-X1로서, 히드록시시클로헥실(hydroxylcyclohexyl)기를 포함하는 실록산 수지를 사용한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법으로 프로브 셀 액티브를 제조하였다.
<올리고뉴클레오타이드 프로브의 인-시츄 합성>
실험예 1 내지 3에서 제조된 프로브 셀 액티브와 셀 분리 영역을 포함하는 기판 상에 올리고뉴클레오타이드 프로브의 인-시츄 합성을 포토리소그래피에 방식으로 진행하였다.
원하는 프로브 셀 액티브 영역을 노출시키는 바이너리 크롬 마스크를 사용하고 365nm 파장의 투영 노광 장비로 1000mJ/㎠ 의 에너지로 1분간 노광하여 링커 구조의 말단을 탈보호하였다. 이어서, 아미디트 활성화된 뉴클레오타이드와 테트라아졸의 1:1 아세토니트릴 용액을 처리하여 보호된 뉴클레오타이드 모노머를 커플링하고, Ac20/py/메틸이미다졸(methylimidazole)=1:1:1의 THF 용액 및 0.02M의 요오드 THF 용액을 처리하여 캡핑 및 산화 공정을 진행하였다.
이와 같은 탈보호, 커플링, 캡핑, 산화 공정을 반복하여 각 프로브 셀 액티브별로 서로 다른 서열의 올리고뉴클레오타이드 프로브를 합성하였다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들을 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 실시예들에 따른 마이크로 어레이에 의하면, 프로브 셀 액티브를 구성하는 실록산 수지층의 표면에 노출된 고정화 브랜치를 통해 별도의 구조물 없이 올리고머 프로브와 직접 커플링되거나, 선택적 활성화 특성을 제공하는 링커와 커플링될 수 있다. 또, 실록산 수지층의 표면에 노출된 고정화 브랜치가 충분한 수의 탄소로 이루어질 경우, 타겟 샘플과의 자유로운 상호작용을 공간적 마진을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 마이크로 어레이의 제조 방법에 의하면, 프로브 셀 액티브를 구성하는 실록산 수지층이 스핀 코팅 등의 방법으로 형성되므로, 공정 시간이 절감되고 공정 효율이 개선될 수 있다.
Claims (21)
- 기판;상기 기판 상에 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되며, 분자량이 1,000 내지 10,000인 실록산 수지층; 및상기 실록산 수지층 상에 커플링된 올리고머 프로브를 포함하는 마이크로 어레이.화학식 1
화학식 2
(단, 상기 화학식 1 또는 화학식 2에서 상기 R1 및 R2는 각각 탄소수가 1 내지 30인 탄화 수소이고, 상기 X1 및 X2는 하이드록실기, 알데히드기, 카르복실기, 아미노기, 아미드기, 티올기, 할로기, 또는 술포네이트기이다.) - 제1 항에 있어서,상기 화학식 1 또는 화학식 2의 상기 탄화 수소의 적어도 일부는 상기 실록산 수지층의 표면에 노출된 고정화 브랜치이고,상기 올리고머 프로브는 상기 고정화 브랜치와 커플링되어 있는 마이크로 어레이.
- 제2 항에 있어서,상기 올리고머 프로브는 링커를 개재하여 상기 실록산 수치층의 표면에 노출 된 상기 고정화 브랜치와 커플링되어 있는 마이크로 어레이.
- 제2 항에 있어서,상기 실록산 수지층을 다수의 프로브 셀 액티브로 분리하며, 표면에 상기 올리고머 프로브와 커플링되는 작용기를 포함하지 않는 프로브 셀 분리 영역을 더 포함하는 마이크로 어레이.
- 제4 항에 있어서,상기 프로브 셀 분리 영역의 표면은 노출된 실리콘 기판 또는 투명 유리 기판인 마이크로 어레이.
- 제4 항에 있어서,상기 프로브 셀 분리 영역의 표면은 상기 기판 상면에 형성된 올리고머 프로브 커플링 블록킹막 표면인 마이크로 어레이.
- 제4 항에 있어서,상기 프로브 셀 분리 영역의 표면은 상기 프로브 셀 액티브 사이를 매립하며, 올리고머 프로브 커플링 블록킹 특성을 갖는 충진재 표면인 마이크로 어레이.
- 제4 항에 있어서,상기 상기 프로브 셀 분리 영역의 표면은 상기 프로브 셀 액티브 사이를 매립하는 충진재 상면에 형성된 올리고머 커플링 블록킹막 표면인 마이크로 어레이.
- 제2 항에 있어서,상기 실록산 수지층은 상기 올리고머 프로브가 커플링되는 다수의 활성화된 프로브 셀 영역 및 상기 활성화된 프로브 셀 영역을 둘러싸며, 상기 올리고머 프로브와 커플링되지 않는 비활성화된 영역을 포함하며,상기 비활성화된 영역의 상기 고정화 브랜치는 비활성 캡핑되어 있는 마이크로 어레이.
- 제1 항에 있어서,상기 탄화 수소는 탄소수가 5 내지 15인 직쇄 또는 분지형의 알킬 그룹, 알케닐 그룹, 알키닐 그룹, 환형의 사이클로 알킬 그룹, 또는 사이클로 알케닐 그룹인 마이크로 어레이.
- 기판을 제공하고,상기 기판 상에 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되며, 분자량이 1,000 내지 10,000인 실록산 수지층을 형성하고,상기 실록산 수지층에 올리고머 프로브를 커플링하는 것을 포함하는 마이크로 어레이의 제조 방법.화학식 1
화학식 2
(단, 상기 화학식 1 또는 화학식 2에서 상기 R1 및 R2는 각각 탄소수가 1 내지 30인 탄화 수소이고, 상기 X1 및 X2는 하이드록실기, 알데히드기, 카르복실기, 아미노기, 아미드기, 티올기, 할로기, 또는 술포네이트기이다.) - 제11 항에 있어서,상기 실록산 수지층을 형성하는 것은 상기 화학식 1 또는 화학식 2의 상기 탄화 수소의 적어도 일부를 표면에 노출하는 것을 포함하고,상기 올리고머 프로브를 커플링하는 것은 상기 고정화 브랜치와 커플링하는 것인 마이크로 어레이의 제조 방법.
- 제12 항에 있어서,상기 실록산 수지층을 형성하는 것은 상기 기판 상에 상기 실록산 수지를 코팅하고,상기 코팅된 실록산 수지층을 100℃ 내지 400℃의 온도로 베이크하는 것을 포함하는 마이크로 어레이의 제조 방법.
- 제12 항에 있어서,상기 올리고머 프로브를 커플링하는 것은 링커를 개재하여 상기 고정화 브랜치와 커플링하는 것인 마이크로 어레이의 제조 방법.
- 제12 항에 있어서,상기 실록산 수지층을 형성한 후에 상기 실록산 수지층을 다수의 프로브 셀 액티브로 분리하며, 표면에 상기 올리고머 프로브와 커플링되는 작용기를 포함하지 않는 프로브 셀 분리 영역을 형성하는 것을 더 포함하는 마이크로 어레이의 제조 방법.
- 제15 항에 있어서,상기 프로브 셀 분리 영역의 표면은 노출된 기판 또는 투명 유리 기판인 마이크로 어레이의 제조 방법.
- 제15 항에 있어서,상기 프로브 셀 분리 영역의 표면은 상기 기판 상면에 형성된 올리고머 프로브 커플링 블록킹막 표면인 마이크로 어레이의 제조 방법.
- 제15 항에 있어서,상기 프로브 셀 분리 영역의 표면은 상기 프로브 셀 액티브 사이를 매립하며, 올리고머 프로브 커플링 블록킹 특성을 갖는 충진재 표면인 마이크로 어레이의 제조 방법.
- 제15 항에 있어서,상기 프로브 셀 분리 영역의 표면은 상기 프로브 셀 액티브 사이를 매립하는 충진재 상면에 형성된 올리고머 커플링 블록킹막 표면인 마이크로 어레이의 제조 방법.
- 제12 항에 있어서,상기 실록산 수지층을 형성한 후에, 상기 고정화 브랜치가 비활성 캡핑되어 있는 비활성화된 영역 및 상기 비활성화된 영역에 의해 둘러싸인 다수의 활성화된 프로브 셀 영역을 형성하는 것을 더 포함하는 마이크로 어레이의 제조 방법.
- 제11 항에 있어서,상기 탄화 수소는 탄소수가 5 내지 15인 직쇄 또는 분지형의 알킬 그룹, 알케닐 그룹, 알키닐 그룹, 환형의 사이클로 알킬 그룹, 또는 사이클로 알케닐 그룹인 마이크로 어레이의 제조 방법.
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