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KR100847170B1 - 디바이스 및 그 제조 방법 - Google Patents

디바이스 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR100847170B1
KR100847170B1 KR1020067024338A KR20067024338A KR100847170B1 KR 100847170 B1 KR100847170 B1 KR 100847170B1 KR 1020067024338 A KR1020067024338 A KR 1020067024338A KR 20067024338 A KR20067024338 A KR 20067024338A KR 100847170 B1 KR100847170 B1 KR 100847170B1
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키몬다 아게
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Abstract

본 발명은 편평하게 설계된 실리콘 기반의 매크로 다공질 지지부 재료를 포함하고, 500㎚ 내지 100㎛ 범위의 직경을 갖고 적어도 한 표면 영역 상에 분포되어 지지부 재료의 한 표면(10A)에서 맞은 편 표면(10B)까지 연장하는 복수의 포어를 포함하고, SiO2 포어 벽을 갖는 둘 이상의 포어를 포함하는 둘 이상의 영역(11A)을 포함하며, 이 영역은 포어의 종축에 평행하게 배열된 실리콘 코어(12A)를 갖는 프레임 또는 상자(12) 벽에 의해 둘러싸이고 표면(10A, 10B)를 향해 개방되고, 실리콘 코어는 프레임을 형성하는 벽의 외측을 향해 교차부의 전체에 걸쳐서 실리콘 이산화물로 융합되고, 실리콘 코어(12A)를 갖는 모든 벽의 전체 프레임들 중 각 개별적인 프레임(12)은 주변의 프레임들로부터 공간적으로 완전히 분리되는 디바이스에 관한 것이다. 또한 본 발명은 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 디바이스는 생화학적 (결합) 반응의 검출 및 효소 반응, 핵산 교배, 단백질-단백질 상호작용 및 생물학과 약학의 게놈, 프로테옴 또는 활성제 연구 분야에서의 기타 결합 반응의 연구 방법에 있어서 "바이오칩 기저 모듈"에 대한 기반으로서 사용될 수 있다.

Description

디바이스 및 그 제조 방법{PARTIALLY OXIDISED MACROPOROUS SILICON COMPRISING DISCONTINUOUS SILICON WALLS}
본 발명은 500㎚ 내지 100㎛ 범위의 직경을 갖고 적어도 한 표면 영역 상에 분포되어 지지부 재료의 한 표면(10A)에서 맞은 편 표면(10B)까지 연장하는 복수의 포어(pore)를 구비하는, 편평하게 설계된 실리콘 기반의 매크로 다공질(macroporous) 지지부 재료를 포함하고, SiO2 포어 벽을 갖는 둘 이상의 포어를 포함하는 둘 이상의 영역(11A)을 포함하되, 이 영역은 포어의 종축에 평행하게 배열된 실리콘 코어(core)(12A)를 갖는 프레임 또는 상자(12) 벽에 의해 둘러싸이고 표면(10A, 10B)을 향해 개방되며, 실리콘 코어는 프레임을 형성하는 벽의 외측을 향해 교차부의 전체에 걸쳐서 실리콘 이산화물로 융합되고(merges), 실리콘 코어(12A)를 갖는 모든 벽의 전체 프레임들 중 각 개별적인 프레임(12)은 주변의 또는 인접한 프레임들로부터 공간적으로 완전히 분리되는 디바이스와, 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 디바이스는 생화학적 (결합) 반응 검출 및 효소 반응, 핵산 교배, 단백질-단백질 상호작용 및 생물학과 약학의 게놈, 프로테옴(proteome) 또는 활성제 연구 분야에서의 기타 결합 반응의 연구 방법에 있어서, "바이오칩 기저 모듈"에 대해 적합한 기반이다.
분자 생물학에서, 빠르게 제조될 수 있는 유기체 또는 조직이 발견된 바이오칩의 사용이 증가하고 있다. (생)화학적 반응의 검출, 즉 정의된 연구 재료에서의 생물학적으로 관련된 분자의 검출은 생명과학 및 의학적 진단에 있어서 매우 중요하다. 이러한 관점에서, 소위 바이오칩의 개발은 꾸준히 추구되어 왔다. 이러한 바이오칩은 일반적으로 생물학적 및 기술적인 성분을 갖는 최소화된 혼합 기능성 소자로, 특히 바이오칩 기저 모듈의 표면 상에 고정되고 특정 상호작용 파트너로서 사용되는 생체 분자이다. 이러한 기능성 소자의 구조는 종종 행과 열을 갖는다. 따라서 "마이크로어레이(microarrays)"라는 용어가 사용된다. 생물학적 또는 생화학적 기능성을 갖는 수천의 소자들이 하나의 칩 상에 배열될 수 있기 때문에, 그들은 일반적으로 마이크로 공학 방법을 사용하여 제조되어야 한다.
특히, 생물학적, 생화학적 기능성의 소자로서 적합한 소자는 DNA, RNA, PNA(핵산과 그 화학적 파생물로는, 예를 들어, 현존하는 단일 사슬(strand), 3중 구조 또는 그들의 결합물일 수 있다), 단당류, 펩티드, 단백질(예를 들어 항체, 항원, 수용체), 화학적 결합으로부터의 파생물(예를 들어 유기 분자), 세포 성분(예를 들어 세포기관), 세포, 다세포 유기체, 셀 그룹 등이다.
소위 마이크로어레이는 바이오칩의 가장 일반적인 변형이다. 이들은 예를 들어 유리, 금, 플라스틱 또는 실리콘과 같은 작은 웨이퍼("칩")이다. 예를 들어 종 래의 핵산 시퀀스에서, 생물학적 또는 생화학적 (결합) 반응을 검출하기 위해, 예를 들어 적은 양의 다양한 가용성 포착 분자가, 소위 점과 같은 매우 작은 방울(droplet)의 형태로 점과 같이 행렬로 바이오칩 기저 모듈의 표면 상에 고정된다.
실질적으로, 하나의 칩당 수백 내지 수천의 작은 방울이 사용된다. 그 다음 예를 들어 형광-분류된 표적 분자를 포함할 수 있는 연구될 피분석물이 표면 상에서 분출된다. 이것은 일반적으로 피분석물에 포함된 표적 분자와 고정된 또는 억류된 포착 분자 사이의 다양한 화학적 (결합) 반응을 이끈다. 전술된 바와 같이, 이러한 반응 또는 결합을 관찰하기 위해, 표적 분자는 일반적으로 형광 색소인, 색소 분자 성분을 사용하여 구별된다. 형광 색소에 의해 방사되는 광의 존재 및 휘도는 기판 상의 각 작은 방울 내의 반응 또는 결합의 진행에 대한 정보를 제공하여, 표적 분자 및/또는 포착 분자의 존재 및/또는 특성에 관한 결론을 도출할 수 있다. 해당하는 피분석물의 형광-분류된 표적 분자가 지지부 기판의 표면 상에 억류된 포착 분자와 반응하거나 또는 결합할 때, 이러한 반응 또는 결합은 레이저를 사용한 광학적 여기(excitation) 및 해당 형광신호를 측정함으로써 검출될 수 있다.
높지만 제한된 다공율을 갖는 기판은 이러한 바이오칩에서의 기반으로서 평면 기판보다 많은 장점을 가진다. 훨씬 넓어진 표면 영역 상에서 보다 많은 검출 반응이 발생한다. 이것은 생물학적 분석물에 대한 검출 민감도를 증가시킨다. 피분석물 내에서 분리된 표적 분자가 다공성 기판의 전면과 후면 사이의 채널을 통해 분출될 때, 이것은 공간적으로 기판 표면에 더욱 근접하게 된다(＜10㎛). 이러한 크기에서, 확산은 검출될 표적 분자와 표면 상에 억류되는 포착 분자 사이의 거리를 빠르게 커버하는 매우 효과적인 전달 프로세스이다. 따라서 결합 반응의 속도가 증가되어 검출 기간이 상당히 감축된다.
전자화학적으로 생성된 다공성 실리콘은 이렇게 정의된 다공율을 갖는 기판의 일례이다(DE 42 02 454, EP 0 553 465 또는 DE 198 20 756 참조).
검출될 재료와 포착 분자 사이의 결합 현상의 검출에 있어서 기존 활성제 연구 및 임상 진단에서 사용되는 다양한 분해 방법들은 광학적인 방법을 사용한다(예를 들어, DNA 교배, 항원-항원 상호작용 및 단백질 상호작용). 검출될 재료를 적합한 파장의 광으로 여기시킨 후 형광을 내거나(형광 방법) 또는 차례로 광을 생성하는 화학적 반응을 시작하는(화학 발광 방법) 마커(marker)를 제공한다. 재료가 검출될 때, 다시 말하면 표적 분자가 기판 상의 억류된 포착 소립와 결합할 때, 이것은 예를 들어 발광에 의해 광학적으로 검출될 수 있다. "발광"이라는 용어는 자외선에서 적외선의 스펙트럼 범위에서의 광자의 자가 방출을 의미하는 것이다. 형광 여기 메커니즘은 사실상 예를 들어 전기적, 화학적, 생화학적 및/또는 열적 여기 프로세스와 같이 광학적 또는 비광학적일 수 있다. 따라서, 특히, 형광 및 인광뿐 아니라 화학 발광, 생물 발광 및 전자 발광은 본 발명의 범위에서 용어 "형광"에 포괄된다.
그러나, 실험적으로 관찰된 광신호 산출량이 이론적으로 획득가능한 값에 훨씬 못 미치는 한, 예를 들어 스펙트럼의 가시광선 영역에서 50% 내지 70%의 반사도를 갖는 다공성 실리콘과 같은 높은 광학적 밀도와 낮은 반사도를 갖는 다공성 기 판은 형광 또는 화학 발광에 관련해 예상되는 결과를 나타내지 않는다. 이러한 다공성 기판이 사용될 때 이론적 값에 비교하여 실험적으로 결정된 광-신호 산출량이 감소된 이유는 한편으로는, 연구될 기판의 형광 발광 또는 결합에 관한 문제 때문이고, 다른 한편으로는 형광 방법이 사용될 때, 형광을 광학적으로 여기시키는 문제 때문이다.
(형광) 광이 포어의 부피 전반에 걸쳐 생성될 때, 포어 벽의 반사도는 표면으로의 광학적 신호의 효과적인 전달의 관점에 있어서 결정적인 요인이다. 화학 발광에서, 광신호는 공간의 모든 방향에서 등방성으로 조사된다. 결과적으로, 발생된 광 중 매우 낮은 비율의 광만이 각 포어의 틈의 각도로 직접 조사된다. 다른 모든 경로의 광은 해당 포어의 개구부에 도달하기 전에 포어의 벽에 의해 수차례 반사된다. 100%에 조금 못 미치는 반사도를 가진다 할지라도, 신호의 세기는 복수의 반사 후에는 크게 감소될 것이다. 이러한 일부의 생성 신호는 포어를 빠져나오는 동안 크게 감쇠되어, 그에 따라 전체 신호에 비해 매우 적은 양만이 도달할 것이다.
또한 형광을 여기 및 방출할 때 포어 벽에 의해 여러 번 반사됨으로써 발생하는 감쇠는 심각한 문제를 발생시킬 수 있다. 형광신호에 있어서 오직 포어의 개구부를 향해 직접 조사된 형광체(피분석물 내의 형광 재료)만이 감쇠되지 않는다. 다른 모든 광학적 경로는 그들이 포어의 개구부에 도달하기 전에 포어의 벽에 의해 적어도 한번 반사된다. 100%에 조금 못 미치는 반사도를 가진다 할지라도, 이러한 복수의 반사는 검출된 광학적 신호를 현저하게 감쇠시킬 것이다.
전술된 복수의 반사에 의한 신호 세기 감쇠 문제를 해결하기 위해, 반사 손 실을 감소시키도록 포어 벽에 반사 층을 배치하여 포어로부터 여기된 광 및 방출된 광이 보다 잘 전달될 수 있도록 하는 방법이 제안되어 왔다. 그러나 이러한 접근법은 신호 산출량의 현저한 향상을 나타내지 않는다.
WO 03/089925에는 국부적으로 SiO2로 제조되고 실리콘 코어(core)를 갖는 반사성 프레임 벽에 의해 둘러싸이는 투과성 영역을 구비하며, 그에 따라 실리콘으로 제조된 반사성 벽에 의한 구획 사이에서의 구조체에서 발생된 형광의 광학적 혼선을 방지할 수 있는 3차원 파장 구조체가 기술되었다. WO 03/089925에 개시된 디바이스는 형광 또는 화학 발광에 기초하는 분해 방법에서 개선된 신호 대 노이즈 비율을 가지고 절대적으로 향상된 신호 산출량을 나타내지만, 실리콘에서 실리콘 이산화물로 전이되는 과정에서 부피의 배가에 의해 매크로 다공질 실리콘의 열산화 동안 구조체 내 심각한 압력이 발생하기 때문에, WO 03/089925에 기술된 3차원 파장 구조체의 생성을 제어하는 데에는 많은 어려움이 따른다. 최악의 경우, 이것은 구조체의 변형 및 왜곡을 야기할 수 있다. 그러나, 비-평면 기판은 바이오칩에서 적합하지 않다.
따라서 본 발명의 목적은, 형광 또는 화학 발광에 기초한 분해 방법의 범주에서, 최종 바이오칩으로 실행될 테스트의 검출 민감성이 향상되도록 WO 03/089925에 개시된 디바이스와 비교하여 상당한 신호-대-노이즈 비율을 갖는 절대적으로 바람직한 신호 산출량을 전달하면서, 생산시에 WO 03/089925에 개시된 디바이스에서의 전술된 문제점을 나타내지 않는 생화학적 반응 및/또는 결합 검출 디바이스 또는 "바이오칩 기저 모듈"을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 특허청구범위에 기술된 실시예에 의해 획득된다.
특히, 500㎚ 내지 100㎛ 범위의 직경을 갖고 적어도 한 표면 영역 상에 분포되어 지지부 재료의 한 표면(10A)에서 맞은 편 표면(10B)까지 연장하는 주기적으로 배열된 복수의 불연속 포어를 구비하는, 편평하게 설계된 실리콘 기반의 매크로 다공질 지지부 재료(10)를 포함하고, SiO2 포어 벽을 갖는 둘 이상의 포어를 포함하는 둘 이상의 영역(11A)을 포함하되, 이 영역은 포어의 종축에 평행하게 배열된 실리콘 코어(12A)를 갖는 프레임 또는 상자(12) 벽에 의해 둘러싸이고 표면(10A, 10B)을 향해 개방되며, 실리콘 코어는 프레임을 형성하는 벽의 외측을 향해 교차부의 전반에 걸쳐서 실리콘 이산화물로 융합되고, 실리콘 코어(12A)를 갖는 모든 벽의 전체 프레임들 중 각 개별적인 프레임(12)은 주변의 또는 인접한 프레임들로부터 공간적으로 완전히 분리되는 디바이스가 제공된다.
본 발명에 따른 디바이스는 국부적으로 완전히 산화된 SiO2 영역, 즉 SiO2 포어 벽을 갖는 복수의 포어를 포함하는 영역을 갖는다. 이러한 완전히 산화된 영역은 상자 또는 프레임과 같은 상위구조체에 의해 둘러싸인다. 완전히 산화된 영역은 본질적으로 실리콘으로 제조된 벽이 표면(10A, 10B)을 향해 개방된 프레임, 상자 또는 실린더를 형성하며, 이때 실린더의 축이 포어에 평행하게 연장하고 국부적으로 완전히 산화된 SiO2 영역을 둘러싸거나 또는 에워싸도록 실리콘으로 제조된 벽에 의해 틀이 잡히거나 또는 둘러싸인다. 프레임을 형성하는 벽은 실리콘 코어(core)를 가지고, 지지부 재료(support material)의 표면 평면에서 연장하는 단면도 상에 도시된 바와 같이, 실리콘은 벽의 외부 측을 향해 실리콘 이산화물로 융합한다.
본 발명에 따르면, 실리콘 코어(12A)를 갖는 벽의 모든 프레임 전체 내에서의 개별적인 각 프레임(12)은 주변의 또는 인접한 프레임들로부터 완전히 공간적으로 분리된다. 결과적으로, 개별적인 영역 또는 구간의 실리콘 벽은 불연속적이거나 또는 서로 접촉하지 않으며, SiO2로 제조된 포어 벽을 갖는 영역에 의해 서로로부터 완전히 분리된다. 본 발명에 따른 이러한 구조적 배열은 이러한 디바이스를 생성하는 과정에서 실리콘에서 실리콘 산화물로의 변환에서의 부피의 배가 때문에 국부적으로 나타나는 압력의 공간적 분리를 이끈다. 완전히 산화된 영역에서, 포어 사이의 벽은 완전히 SiO2로 제조된다. 따라서 이러한 영역 또는 구획은 특히 가시영역의 파장에 대해 투과성을 갖는다. 따라서 본 발명에 따른 디바이스는 국부적으로 투과성이 있는 SiO2 영역을 가지고, 이러한 투과성 영역은 실리콘 코어를 갖는 반사성 프레임 벽에 의해 둘러싸인다. 다시 말하면 국부적으로 완전히 투과성인 SiO2 영역 또는 구획이 존재하고, 이들은 본 발명에 따른 디바이스 내에서 이러한 구획을 완전히 둘러싸며 실질적으로 상자 형태인 하위 구조체를 형성하는 실리콘 코어를 갖는 비투과성 벽에 의해 서로로부터 분리된다.
본 발명의 문맥에서, 도 2(b)를 참조하면, 이러한 실리콘 프레임 구획은 대략 1:1:100에서 1:1:1의 종횡비(높이×폭×두께)를 가질 수 있다.
각각 두 외부면을 향해 실리콘 이산화물로 융합하는 실리콘 코어를 갖는 벽의 프레임 또는 박스(12)는 SiO2 포어 벽을 갖는 둘 이상의 포어를 포함하는 영역 또는 구획 사이에서 산란된 광 및 광학적 혼선(optical crosstalk)을 제거한다. 이것은 완전히 전체적으로 투과성을 갖는 다공성 기판(porous substrate)(예를 들어 SiO2, 유리 칩 또는 Al2O3)의 큰 장점이다.
본 발명에 따른 디바이스에서 일반적으로 주기적으로 배열되는 복수의 포어는 편평하게 설계된 매크로 다공질(macroporous) 지지부 재료(10)의 적어도 한 표면 영역 상에 분포되도록 배열되며 지지부 재료의 한 표면(10A)에서 반대편 표면(10B)으로 연장한다. 막힌 구멍(blind holes), 즉 표면(10A, 10B) 중 어느 한 면을 향해서만 개방된 포어가 본 발명의 범주 내에서 편평하게 설계된 매크로 다공질 지지부 재료(10) 상에 국부적으로 제공될 수도 있다.
사용되는 매크로 다공질 지지부 재료는 일반적으로 1㎛ 내지 99㎛의 포어 직경을 가지며, 바람직한 범위는 1㎛ 내지 11㎛이다. 매크로 다공질 지지부 재료의 두께는 일반적으로 100㎛ 내지 1000㎛이며, 바람직한 범위는 250㎛ 내지 450㎛이다. 포어 중심으로부터 포어 중심까지, 즉 서로 이웃하거나 또는 인접하는 두 포어 사이의 공간(피치(pitch))은 일반적으로 1㎛ 내지 100㎛이며, 바람직한 범위는 2㎛ 내지 12㎛이다. 포어 밀도는 일반적으로 104 내지 108/㎠의 범위에 있다.
본 발명에 따른 디바이스의 포어(11)는 예를 들어, 본질적으로 원형 또는 타원형으로 구성될 수도 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, SiO2 포어 벽을 갖는 포어(11)는 본질적으로 사각형으로 설계된다. 그에 따라 실리콘 코어(12A)를 갖는 벽의 프레임(12)은 본질적으로 정사각형 또는 직사각형일 수 있다.
또한 연속적인 구획 및 비연속적인 구획으로 구성되는 소위 혼성 구조체를 갖는 디바이스가 본 발명의 맥락에서 포함된다(도 5를 참조하여라).
본 발명에 따른 디바이스는 다음의 단계들을 포함하는 방법에 의해 제공될 수 있다:
(a) 실리콘으로 제조되며 표면(10A, 10B)을 갖는 지지부 재료를 준비하는 단계,
(b) 본질적으로 규칙적으로 배열되어 제공된 막힌 구멍의 배치는 증가된 실리콘 벽 두께를 갖는 내부-영역 전이(inter-region transitions)를 형성하도록 막힌 구멍 배치의 증가된 양만큼 국부적으로 변화되고, 이때 내부-영역 전이 사이의 실리콘 벽의 두께는 영역 내부 실리콘 벽의 두께보다 두껍게 구성되도록 지지부 재료의 한 표면(10A)에서 지지부 재료의 두께보다 얇은 깊이를 갖는 막힌 구멍을 전기 화학적 에칭에 의해 생성하는 단계,
(c) 표면(10A)과 단계(b)에서 생성된 막힌 구멍의 표면 상에 마스크 층을 적어도 국부적으로 배치하는 단계,
(d) 한 표면(10A)으로부터 지지부 재료의 반대쪽 표면(10B)을 통과해 연장하는 포어(11)를 획득하기 위해 적어도 막힌 구멍의 바닥까지 지지부 재료를 침식시키는 단계,
(e) 마스크 층을 제거하는 단계,
(f) 실리콘 벽 두께의 함수에 따라, 보다 얇은 실리콘 벽을 갖는 영역은 완전히 산화되는 반면에 벽의 두께가 증가된 내부-영역 전이에서는 실리콘 벽이 완전히 산화되지 않아 실리콘 코어가 벽 내부에 남아있도록 단계(e)에서 획득된 지지부 재료를 열적 산화시키는 단계.
단계(a)에서 준비된 실리콘 지지부 재료는, 예를 들어 n-도핑된 단결정질 실리콘일 수 있다(Si 웨이퍼). 그러나, p-도핑된 단결정질 실리콘도 또한 사용될 수 있다.
그 다음, 방법의 단계(b)에서, 전자 화학적 에칭이 실리콘 내에서 실행된다. 이러한 방법은 예를 들어, 본 발명에서 전체가 참조로서 인용되며 그에 따라 본 발명의 일부분인 EP 0 296 348, EP 0 645 621, WO 99/25026, DE 42 02 454, EP 0 553 465 또는 DE 198 20 756에 개시된다. 이러한 전자 화학적 에칭의 범위에서, 예를 들어 1 대 300 또는 그 이상의 종횡비를 갖는 막힌 구멍 또는 포어는 본질적으로 실리콘 내에서 규칙적인 배열로 에칭될 수 있다. 적절하게 선택된 파라미터를 사용하여, 전자 화학적 포어-에칭 방법은 특정한 제한 내에서 포어 공간(피치)을 대체하는 것을 가능케 하기 때문에, 결과적인 실리콘 벽의 두께는 막힌 구멍 또는 포어의 규칙적인 배열 내에서 포어 공간의 변경 및/또는 포어의 전체 열을 생략함으로써 국부적으로 다양화될 수 있다. 한편으로는 포어 열 또는 유닛을 생략하고 일관되게 일정한 피치 공간을 유지하며 포어-에칭 방법이 실행될 수 있다. 다른 한편으로는, 두 개의 서로 다른 피치 공간을, 하나는 각 구획에 대해, 다른 하나는 그에 상응하는 외부 영역에 대해 제공하는 것이 가능하다. 전술된 수단은 좁은 제한 내에서 변경될 수 있다.
지지부 재료 또는 기판(Si 웨이퍼)을 통과하며 양쪽 표면(10A, 10B)에서 개방된 포어를 획득하기 위해, 단계(c), (d) 및 (e)에서의 Si 웨이퍼의 후면은 예를 들어 KOH 에칭에 의해 침식되는 반면, 막힌 구멍을 에칭한 후에, 웨이퍼의 전면 및 막힌 구멍 또는 포어의 내부는 예를 들어 100㎚ 두께인, CVD 증착에 의해 생성된 실리콘 질화물 층과 같은 마스크 층에 의해 보호된다. 그 다음 마스크 층은 예를 들어 HF 처리에 의해 단계(e)에서 제거될 수 있다. 스퓨터링, 레이저 제거 및/또는 예를 들어 CMP 프로세스와 같은 폴리싱 프로세스 또한 Si 웨이퍼의 후면 침식에 적합하다.
이것은 규칙적인 포어가 제공된 실리콘 웨이퍼 또는 실리콘 지지부 재료를 생성하며, 이 포어는 웨이퍼의 전면과 후면을 함께 접속시키는 스루-튜브(through-tube)를 포함한다.
이러한 포어들이 생성된 후, 이들의 직경은 예를 들어 KOH에서의 에칭에 의해 확장되거나 또는 넓혀질 수 있다. 만약 Si(100)이 시작 재료(starting material)로서 사용되면, 그에 따라 결정 구조체 덕분에 이러한 에칭에 의해 본질적으로 정사각형 포어가 획득될 것이다. 예를 들어, 포어의 직경이 약 5㎛이고 두 포어의 중심점 사이의 공간(피치)이 12㎛라 가정하면, 포어의 직경은 예를 들어 5㎛ 내지 10 또는 11㎛로 확장될 수 있다. 포어 사이의 실리콘 벽의 두께는 동시에 2 또는 1㎛까지 증가될 수 있다. 얇은 실리콘 벽의 정사각형 격자는 실질적으로 이러한 방법으로 획득된다. 포어의 깊이, 또는 실리콘 벽의 길이는 후면에서 포어가 개방될 때 침식된 Si 층의 두께보다 얇은 실리콘 웨이퍼의 초기 두께에 해당한다.
단계(f)에서, 이렇게 획득된 격자는 예를 들어 18시간 동안 1050℃의 온도에서의 열산화 프로세스에서 문제의 포어-벽 두께의 함수로서의 산화에 의해 SiO2로 변환된다. 기판의 구조는 본질적으로 이것에 의해 변화되지 않으며, Si에서 SiO2로의 산화에 의한 벽 영역의 부피 증가와는 무관하다.
만약 막힌 구멍 또는 포어의 공통 간격이 단계(b)에서 주기적으로, 예를 들어 매 5, 10 또는 20 포어마다, 예를 들어 1㎛만큼 증가된다면, 그에 따라 이것은 포어의 어레이(예를 들어 5×5, 10×10, 20×20)를 갖는 영역 또는 구획으로 구성된 상위구조체를 제공할 것이다. 이러한 영역들 사이의 실리콘 벽의 두께는 증가된 포어 간격의 양만큼 영역 내부의 실리콘 벽의 두께보다 두껍다. 얇은 실리콘 벽을 갖는 영역은 단계(f)에서 이어지는 산화 동안 SiO2로 완전히 산화될 것이다. 그러나 증가된 벽 두께를 갖는 영역 사이의 전이에서, 실리콘 벽은 완전히 산화되지 않고 그에 따라 프레임을 형성하는 벽의 외부 측을 향해 단면도 상의 실리콘 이산화물로 각각 융합하는 실리콘 코어는 벽 내에 남아있게 된다. 이것은 국부적으로 완전히 투과성을 갖는 SiO2의 영역을 제공하며, 이것은 실리콘 코어를 갖는 비투과성 벽에 의해 서로로부터 완전히 분리된다.
연결 분자(linker molecules)의 적용 또는 결합(binding)이 바로 다음에 실행될 수 있다. 이러한 연결 분자는 SiO2 층의 표면 상에 존재하는 OH 그룹에 공유결합할 수 있고 또한 생화학 반응에서 프로브(probe)로서 사용될 수 있는 캡쳐 분자를 사용하여 공유결합할 수 있는 작용기를 갖는 한 어떠한 특정 제한도 받지 않는다. 이러한 연결 분자는 일반적으로 실리콘-유기적 화합물에 기반한다. 이러한 두 기능을 가진 실리콘-유기적인 화합물은, 예를 들어 에폭시, 글리시딜(glycidyl), 클로로(chloro), 메르캅토(mercapto) 또는 아미노에서 선택된 하나 이상의 말단 작용기를 갖는 알코사이실린(alkoxysilane)일 수 있다. 알코사이실렌 화합물은 예를 들어 3-글리시독시프로필트라이메톡사이실렌(3-glycidoxypropyltrimethoxysilane)과 같은 글리시독시프로필트라이메톡사이실렌, 또는 예를 들어 N-β-(아미노에틸) γ-아미노프로필트라이메톡사이실렌 (γ-aminopropyltrimethoxysilane)과 같은 아미노프로필트라이메톡사이실렌이 바람직하다. 포착 분자 또는 프로브 및 trialkoxysilane 그룹을 속하는, 예를 들어, 에폭시 또는 글리시독시(glycidoxy)와 같은 작용기 사이의 스페이서로서의 역할을 하는 알킬린 잔유물의 길이는 이 경우에 어떠한 제한도 받지 않는다. 또한 이러한 스페이서는 폴리에틸렌 글리콜 잔유물일 수도 있다.
바이오칩의 준비를 완성하기 위해, 에폭시시레인이 연결(linker) 분자로서 사용될 때, 연구될 피분석물에 존재하는 표적 분자에 대해 억류되거나 고정된 포착 분자로서의 기능을 하는 단부 1기 아미노 그룹 또는 올리고누클레오타이드의 티올 그룹 또는 DNA 분자를 갖는 단부 에폭사이드 그룹의 연속 반응에 의해, 예를 들어 다공성 기판 재료의 처리와 같은 종래 기술의 표준 방법에 따라 올리고누클레오타이드(oligonucleotide) 또는 DNA 분자와 같은 포착 분자가 연결 분자를 통해 지지부 재료에 결합 또는 연결될 수 있다. 포착 분자로서 사용될 수 있는 올리고누클레오타이드는 예를 들어 Tet.Let. 22, 1981의 1859에서 1862페이지에 기술된 합성 방법을 사용함으로써 준비될 수 있다. 생성 방법 동안, 올리고누클레오타이드는 단부 아미노 그룹을 사용하여 5 또는 3 단부 위치에서 파생된다. 이러한 포착 분자를 포어의 내부-벽 표면에 결합시키는 다른 방법은 기판을 예를 들어 Cl2, SOCl2, COCl2 또는 (COCl)2와 같은 염소 소스를 사용하여 제 1 처리하고, 선택적으로 과산화물, 질소 함유 화합물 또는 Bu3SnH와 같은 근본적인 기폭제를 사용하고 이것을 해당하는 구핵 원자 화합물, 특히 단부 1기 아미노 또는 티올 그룹 또는 다른 적당한 기능의 그룹을 포함하는 올리고누클레오타이드 또는 DNA 분자를 사용하여 연속적으로 반복함으로써 실행된다(WO 00/33976 참조).
본 발명에 따른 디바이스는 마이크로어레이 밀도를 갖는 96-샘플 지지부 재료의 역할을 충족시킬 수 있다. 또한 종래 기술에서 사용되는 마이크로칩 기술은 본 발명에 따른 디바이스의 원리와 비교될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 디바이스는 포어 벽 상에서 국부적으로 제한되고, 광-제어되는 분자의 합성에 대해 특히 적합하다. 따라서 본 발명은 화학적 또는 생화학적 반응 또는 합성의 제어 방법에도 관련되며, 다음과 같은 단계들을 포함한다:
-본 발명에 따른 디바이스 또는 바이오칩을 준비하는 단계,
-지지부 재료의 적어도 하나의 포어 내로 합성 재료를 삽입하는 단계,
-적어도 합성 재료를 광학적으로 여기시키기 위해 포어 내로 광을 비추는 단계.
평면의 기판에 대해, 광-제어되는 합성의 방법이, 예를 들어 EP 0 619 321 및 EP 0 476 014에서 기술된다. 구조체 및 광-제어 합성 방법에 관한 이 문서들에 개시된 내용의 전체가 참조로서 인용되고, 이에 따라 이 문서들의 내용은 본 발명의 일부를 형성한다. 광을 포어 내부에 효과적으로 전달함으로써 포어 벽 상에서 광화학적 반응을 진행시키거나 또는 제어하는 것이 가능하다. 특히, 합성의 연속하는 광-제어된 광화학적 반응이 포어의 경계면 상에서 실행될 수 있다.
각 포어 또는 영역/구획 사이의 광학적 혼선은 본질적으로 실리콘으로 제조되는 반사성 벽에 의해 방지된다.
도 1은 WO 03/089925에 개시된 디바이스의 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 예시적인 실시예의 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 디바이스의 다른 예시적인 실시예의 개략도,
도 4는 본 발명에 따른 디바이스의 또 다른 예시적인 실시예의 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 디바이스의 다른 실시예를 도시한 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 실리콘 기판의 지지부 재료
10A, 10B : 지지부 재료 표면
11 : 포어(pore)
11A : SiO2 포어 벽을 갖는 다수의 포어를 포함하는 영역
12 : 실리콘 코어를 갖는 벽의 프레임
12A : 실리콘 코어
13 : 실리콘 코어를 갖는 벽으로 구성된 웹(web)
본 발명은 도면을 참조로 하여 예시의 방법으로 기술될 것이다.
도 1은 실리콘 코어를 갖는 반사성 프레임 벽에 의해 둘러싸이는, SiO2로 제조된 국부적인 투과성 영역을 구비한 WO 03/089925에 개시된 디바이스의 개략도이다.
도 2(a)는 본 발명에 따른 디바이스(10)의 개략도로서, SiO2의 벽을 갖는 포어(11)의 국부적인 투과성 영역(11A)을 구비하고, 실리콘 코어(12)를 갖는 모든 벽의 전체 프레임 중 실리콘 코어(12A)를 갖는 각 개별적인 프레임(12)의 벽은 주변의 프레임들로부터 공간적으로 완전히 분리된다. 도 2(b)는 전술된 바와 같이, 구획 종횡비에 관한 정의를 도시한다. 도 2(c)는 평면도이고 도 2(d)는 이러한 디바 이스의 상세한 측면도이다. 도 2(e)는 구획과 외부 영역에서 서로 다른 피치 간격을 갖는 구조체의 예시적인 "기본 셀"을 개략적으로 도시한 도면이다. 예시적인 기본 셀은 구획 내에서 24×24 포어 어레이(피치: 11.3㎛)를 갖는 30×30 포어를 포함하고, 외부 영역에서의 피치 간격은 12.0㎛이다(산화 전의 구획 벽의 두께: ~10㎛(포어 반경: 10-11㎛); 산화 후의 구획 벽의 두께: ~5㎛).
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 디바이스의 다른 실시예를 도시한 도면으로, 실리콘 코어(12)를 갖는 모든 벽의 전체 프레임 중 실리콘 코어(12A)를 갖는 각 개별적인 프레임(12)의 벽은 주변의 프레임들로부터 공간적으로 완전히 분리된다. 도 3에 따른 실시예는 실리콘 코어를 갖는 벽으로 제조된 프레임의 특정 구성을 포함한다. 도 4에 따른 실시예에서, 서로로부터 공간적으로 완전히 분리된, 실리콘 코어를 갖는 벽의 프레임 사이에서, 프로비젼이 이 프레임들로부터 공간적으로 완전히 분리된 실리콘 코어(12)를 갖는 벽으로 제조된 웹(13)으로 생성된다.
도 5는 본 발명에 따른 디바이스의 다른 실시예를 도시한 도면으로, 연속적인 구획과 비연속적인 구획을 포함하는 혼합 구조체를 도시한다.

Claims (9)

  1. 편평하게 설계된 실리콘 기반의 매크로 다공질(macroporous) 지지부 재료(10)를 포함하는 디바이스로서,
    상기 지지부 재료는 500㎚ 내지 100㎛ 범위의 직경을 갖고 적어도 한 표면 영역 상에 분포되며 상기 지지부 재료의 한 표면(10A)에서 맞은 편 표면(10B)까지 연장하는 복수의 포어(pores)(11)를 구비하고,
    상기 디바이스는 SiO2 포어 벽을 갖는 2 이상의 포어를 포함하는 2 이상의 영역(11A)을 포함하되,
    상기 영역은 상기 포어의 종축에 평행하게 배열된 실리콘 코어(core)(12A)를 갖는 프레임 또는 상자(12) 벽에 의해 둘러싸이고 상기 표면(10A, 10B)을 향해 개방되며,
    상기 실리콘 코어는 프레임을 형성하는 벽의 외측을 향해 교차부의 전체에 걸쳐서 실리콘 이산화물로 융합되고(merges),
    상기 실리콘 코어(12A)를 갖는 모든 벽의 전체 프레임들 중 각 개별적인 프레임(12)은 주변 프레임들로부터 공간적으로 완전히 분리되는
    디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지부 재료(10)는 100 내지 1000㎛ 사이의 두께를 갖는
    디바이스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 포어 밀도는 104 내지 108/㎠의 범위에 있는
    디바이스.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    SiO2 벽을 갖는 상기 포어(11)는 정사각형으로 설계되고 실리콘 코어(12A)를 갖는 벽의 각 프레임들은 정사각형 또는 직사각형인
    디바이스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    DNA, 단백질 및 리간드(ligand)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 포착 분자(capture molecule)는 상기 프레임(12) 내에 위치한 적어도 하나의 상기 포 어(11)와 공유적으로 결합하는
    디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 포착 분자는 올리고누클레오타이드 프로브(oligonucleotide probes)인
    디바이스.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 디바이스는 효소 반응, 핵산 교배(nucleic acid hybridization), 단백질-단백질 상호작용 및 단백질-리간드 상호작용을 포함하는 생화학적 반응 및/또는 결합을 검출하는 방법에 있어서 샘플 지지부에서 기반으로서 사용되는
    디바이스.
  8. 화학적 또는 생화학적 반응 또는 합성을 제어하는 방법에 있어서,
    제 1 항 또는 제 2 항에 따른 디바이스를 준비하는 단계와,
    합성 재료를 지지부 재료의 적어도 하나의 포어 내에 주입하는 단계와,
    상기 포어 내로 광을 조사해 적어도 상기 합성 재료를 광학적으로 여기시키 기는 단계를 포함하는
    방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지부 재료(10)는 250 내지 450㎛ 사이의 두께를 갖는
    디바이스.
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