마이크로 PCR제작을 위한 Device 패터닝

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

이윤경*,**, 김종성*, 윤영수**

경원대학교 화학공학과*, 한국과학기술연구원 박막기술연구센터**

Device patterning for the Micro PCR fabrication

Yun-Kyoung Lee*,**, Jong Sung Kim* and Youngsoo Yoon**

Department of chemical Engineering, Kyungwon University*,

Thin Film Technology Center, Korea Institute of Science and Technology**

서론

80년대 초 개발된 MCE(Micro Capillary Electrophoresis)기술을[1] 바탕으로 최근 HTS(High Throughput Screening)의 특징을 갖는 LOC(Lab-on-a chip)가 새로운 분야인 Bio-MEMS의 주축을 이루며 각광받고 있다. On-chip형 device는 LOC의 기본이 되는 소자로서 각각의 특징을 갖는 device를 한곳에 모아 이른바 칩 상의 실험실을 만들 수 있게 하는 것이다. 그 각각의 device는 크게 PCR부분과 분리검출부분으로 나누어지며, 이를 감지하기 위해서는 Optical MEMS 기술이 함께 접목[2,3]되어야한다. 따라서 이 모든 기술을 한 곳에 집중시키기 위해 많은 연구를 필요로 하여, 아직도 여러 곳에서 연구가 진행되고 있는 중이다. 그중에서도 PCR(Polymerase Chain Reaction)을 chip상에 구현하는 □-PCR(Micro PCR)기술은 논문에서 발표된바 있으나, continuous type으로 그 구조가 굉장히 복잡하며, 온도 조절부를 3곳으로 따로따로 나누어야하는 특징이 있다.[4] 반면, well type으로 단순화된 PCR은 아직까지 실리콘상에서 밖에 구현되지 않았다. [5]

본 연구에서는 기존의 복잡한 패턴을 보완하여 아직 glass 상에서 이루어지지 않은 well type의 PCR을 glass chip상에 구현하였다.

실험

본 연구에서 기판으로는 양면 polishing된 두께 0.8mm, 지름 4in인 Boaroflaot Glass( D.S. 정공)를 사용하였다. On-chip에 있어 glass의  선택은 중요한 요소 중의 하나로 작용하는데, 그것은 bonding과정에서 100℃가 넘는 온도에서도 견뎌야하기 때문이다.[6] 소자의 패턴닝 형성은  아래에 기술된 바와 같은 순서로 sputtering, 사진식각공정을 이용하여 실시하였다.

먼저 □-PCR의 체널을 디자인하여 Au/Cr 층 상에 PR 패턴을 형성하였다. Au/Cr 층을 에칭하여 metal mask를 형성후 사진 및 현상 공정에 의해 glass 에칭 및 Au/Cr striping 공정을 통해 최종적으로 glass 상에 PCR 체널을 형성하였다.

패턴 디자인

본 연구의 PCR은 well type이기 때문에 유체의 이동 없이 한 곳에서 Denaturation(94℃) - Annealing(64℃) - Extension(77℃) 순으로 PCR 반응이 진행되게 된다. 단지 PCR 용액을 주입하고, 다시 회수할 때만 유체의 이동이 발생하므로, 이 과정이 원활하게 진행되도록 곡선을 패턴에 도입하였다. 곡선은 방향성이 있는 실리콘웨이퍼에서는 나타날 수 없는 패턴이지만, 유리에서는 가능하다. 그림. 1, 그림. 2에 두 종류의 마스크 패턴을 나타내었다.

Fig. 1 straight line pattern       Fig. 2 Curved line pattern

Metal Mask

Metal Mask의 층 구조는 그림. 5와 같다. 실제로 마스크역할을 하는 것은 Au이지만, glass와의 adhesion이 나쁘기 때문에 glass에 sputtering을 하여, Adhesion layer인 Cr과 본 마스크인 Au를 증착하였다. 만약 Cr 층이 없게 되면, 그림. 3처럼 거친 표면과 마치 결정과 같은 모양을 갖는 식각현상이 일어나게 된다. Cr은 두께 500Å을 Ar 50sccm의 분위기에서 RF(Radio Frequency) Power 200W로 증착하였으며, Au는 두께 2500Å을 역시 같은 분위기에서 DC(Direct Current) Power 0.2A X 400V로 멀티 Layer로 증착하였다.

그림. 3 Optical microscope image of   그림. 4 Optical microscope image of

PCR chennal patterned                PCR chennal patterned

without Cr adhesion layer.             with Cr adhesion layer.

그림. 5 Layer structure of metal mask

Etching

Au의 에칭용액으로는 왕수(HCl : HNO3 = 3 : 1)를 제조하여 사용하였고, Cr은 쎄븐 씨알케이(J.T. Baker)로 에칭하였다. 기판인 유리를 에칭액 조성은 HF : NH4F : H2O = 1 : 1 : 2로 하였다.

마스크 표면이 깨끗하지 못하면, Bonding이 어렵기 때문에 마스크 두께와 에칭조건은 함께 고려되어야 한다.

에칭과정은 그림. 6의 (2)번 상태에서 에칭용액에 넣어주며, 40분 동안 반응시켰다. 에칭 속도는 분당 0.25□m로 총 에칭된 Depth는 10□m가량이 된다. 만약 Stirrer나 온도의 변화를 준다면 식각 속도가 더 빨라질 것이다. 이러한 식각과정은 화학반응에 의한 것으로 반응이 충분히 이루어지지 않게 되면, 그림. 7과 같이 유리가 섬유처럼 뭉쳐서 나타나게 된다. 따라서 체널 상에 불순물들이 없어야하고, 전 단계와 세척단계가 충분히 이루어져야 한다.

(1)

(2)

(3)

Fig. 6 etching process                 Fig. 7  non-etched surface of channel

그림. 8과 같이 사진식각공정과 sputtering을 이용하여 10□m가량의 깊이를 갖는 on-chip형 device를 만들었다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Fig. 8 PR coating and       Fig. 9 Etching process      Fig. 10 □PCR Device

Develop process

결론

본 연구를 수행한 결과 유리 상에서도 시각공정이 잘 이루어졌다. 그러나 예상했던 바와 같이 곡선보다는 직선이 더 잘 식각되었다. 이는 좀더 충분한 반응을 진행시키기 위해 교반과 온도조절이 필요함을 의미한다. 또한 좀더 체널을 깊게 파기 위해서는 metal mask를 두껍게 하여 Au를 더 증착 할 때 chip의 표면손상을 막을 수 있을 것으로 예상된다.

감사

본 연구는 신소재 연구센터(KRRC)에서 지원 받아 수행되었습니다.

참고문헌

[1] Manz A., Harrison DJ, Verpoorte EMJ, Fettinger JC, et al. J. Chromatography A 69 (1992)4783-4789

[2] Stepgen C. et al. Anal. chem 68 (1996)720-723

[3] Adam T. Woolley, Dean Hadley, et al. Anal. chem 68 (1996)4081-4086

[4] Martin U. Kopp, Andrew J. de Mello, Andreas Manz, SCIENCE 280 (1998)1046-1048

[5] Yu-Cheng Lin, Ming-Yuan Huang, kung-Chia Young, Ting-Tsung Chang, Ching-Yi Wu, Sensors and Actuators B 71 (2000)2-8

[6] Zhonghui H. Fan and D. Jed Harrison, Anal. Chem. 66 (1994)177-184