KR20170082629A - 대규모, 저 비용 나노센서, 나노니들 및 나노펌프 어레이 - Google Patents

대규모, 저 비용 나노센서, 나노니들 및 나노펌프 어레이 Download PDF

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KR20170082629A
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Abstract

본 발명의 나노크기의 프로브(nanoscale probe)는 기판 및 기판 상에 배치된 제1말단 및 제2말단을 각각 갖는 한 쌍의 나노크기의 와이어(nanoscale wires)를 포함한다. 상기 각 나노크기의 와이어의 상기 제2말단은 한 쌍의 나노스케일 와이어와 서로 접촉하여 기판위로 연장되는 브리지를 형성한다. 상기 나노스케일 와이어는 기판 위에 존재하는 전극에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전극은 차례로 프로브가 위치하는 기판 내에 형성된 판독장치 또는 마이크로프로세서와 같은 능동전자장치에 연결된다. 상기 방식으로, 상기 나노크기의 와이어 및 이에 따른 세포의 특성이 측정될 수 있다.

Description

대규모, 저 비용 나노센서, 나노니들 및 나노펌프 어레이{LARGE SCALE, LOW COST NANOSENSOR, NANO-NEEDLE, AND NANOPUMP ARRAYS}
본 발명은 대규모, 저 비용 나노센서, 나노니들 및 나노펌프 어레이에 관한 것이다.
나노전자 센서(nanoelectronic sensors) 및 기타 장치들은 작은 치수, 부피 에 대한 넓은 표면적비 및 다양한 종류의 물질 특성 때문에, 테스트(testing) 및 포지셔닝(positioning)에서 매우 높은 감도와 정밀도에 기인하여 정보 생물학 시스템 시스템에 대한 실질적인 잠재력을 제공한다. 이러한 장치는 조직, 복수의 세포, 단일 세포 및 심지어 단일 분자와 결합할 수 있는 작고 확장 가능한 프로브를 제공하는데 상기 목적을 위해 개발된 한 유형의 프로브는 세포의 특성, 예컨대 전기적 특성을 측정하기 위해 세포에 직접 삽입할 수 있는 나노크기의 와이어(nanoscale wire) 또는 튜브를 사용한다. 어떤 경우에는 나노크기의 와이어의 팁(tip) 부분만 세포에 삽입될 수 있는데 상기 팁은 세포 크기에 비해 매우 작아서 정확한 연구를 가능하게 한다. 또한, 크기가 매우 작기 때문에(일반적으로 크기가 200 nm 보다 작음) 프로브를 기계적으로 삽입해도 반드시 세포막 또는 다른 생물학적 시스템에 대한 심각한 손상이 발생하지 않으므로, 심지어 실시간 살아있는 세포의 모니터링을 포함하는 살아있는 세포 시료에 대한 정밀한 연구를 가능하게 한다. 프로브 소재 및 특성의 다양한 선택은 나노와이어(nanowire) 장치가 화학적 센서, 광 검출기, 압력 센서, 뉴런 프로브 등의 기능을 수행할 수 있게 한다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 기판 및 상기 기판 위에 배치된 제1말단 및 제2말단을 각각 갖는 한 쌍의 나노크기의 와이어를 포함하는 나노크기의 프로브가 제공된다. 상기 각 나노크기의 와이어의 제2말단은 한쌍의 나노크기의 와이어와 서로 접촉하여 상기 기판 위로 연장되는 브리지를 형성한다.
상기 나노크기의 와이어는 기판상에 존재하는 전극에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전극은 차례로 상기 프로브가 위치하는 기판 내에 형성된 판독장치 또는 마이크로프로세서와 같은 능동 전자장치에 연결된다. 상기 방식으로, 나노크기의 와이어 및 이에 따른 세포의 특성이 측정될 수 있다. 또한, 상기 마이크로프로세서는 그것을 켜고 끄는 것과 같은 다양한 방법으로 프로브를 제어하는데 사용될 수 있다. 예컨대 상기 프로브는 세포 이외의 시료를 연구하는 데에도 사용될 수 있으며 나노와이어 대신 나노튜브를 포함할 수 있다. 상기 나노튜브는 세포에 화학 물질(예컨대, 약물) 또는 전기 펄스를 전달하는 전달 시스템으로 사용될 수 있다. 상기 프로브를 센서 및 전달 시스템으로 사용하는 것은 동시에 또는 다른 시간에 일어날 수 있다.
본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 나노크기의 프로브를 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법에 따르면, 유전체층(dielectric layer)이 기판 상에 형성되고 감광액 마스크(photoresist mask)가 상기 기판위에 도포된다. 등방성 에칭(isotropic etch)이 상기 유전체층 상에 수행되며, 이에 따라 유전체층의 나머지 부분이 감광액 마스크 아래에 위치한 테이퍼 지지 구조체(tapered support structure)가 형성된다. 이 후, 상기 감광액 마스크가 제거되고 섀도 마스크(shadow mask)가 상기 테이퍼 지지 구조 위에 도포된다. 상기 섀도 마스크는 테이퍼 지지 구조체의 상이한 표면상에 나노크기의 와이어를 형성하는 각각 나노크기의 구멍(apertures)을 통해 증착된 소재가 테이퍼 지지 구조에 대해 정렬된 적어도 제1쌍의 나노크기의 구멍을 포함한다. 소재는 나노크기의 와이어의 제1쌍을 형성하기 위해 상기 나노크기의 구멍을 통해 증착된다.
본 발명의 또 다른 일 관점에 따르면, 상기 기판 및 기판 상에 배치된 유전체층을 포함하는 나노크기의 니들 또는 펌프가 제공된다. 전도성 나노튜브(conductive nanotube)는 상기 유전체층 위에 배치된 기저부(base)를 포함하고 시료와 유체 연통하도록 적합화된 개구부(opening)로 상기 기저부로부터 떨어진 전도성 나노튜브의 말단에 배치된 개구부를 갖는다. 소수성 코팅(hydrophobic coating)은 상기 전도성 나노튜브의 외부 표면 위에 배치된다. 전극은 상기 유전체층 위에 배치되며 상기 전도성 나노튜브로부터 이격되게 배치된다.
본 발명의 또 다른 일 관점에 따르면, 나노튜브를 사용하여 시료로부터 유체를 추출하는 방법이 제공된다. 이는 상술한 방법에 따라, 나노튜브가 시료에 삽입된다. 상기 나노튜브는 전도성 측벽(conductive sidewall) 및 전도성 측벽 상에 배치된 소수성 코팅(hydrophobic coating)을 포함하므로, 상기 나노튜브의 개구부는 상기 시료의 내부와 유체 연통된다. 상기 나노튜브가 삽입된 후, 전도성 측벽과 반대전극(counter-electrode) 사이에 바이어스(bias)가 인가되어 유체가 전자 습윤효과(electrowetting effect)에 따라 적어도 부분적으로 상기 개구부를 통해 상기 나노튜브의 내부로 유입된다. 그 후, 상기 나노튜브의 내부로부터 유체를 배출하기 위해 상기 바이어스를 제거한다.
도 1은 본 발명의 센서 어레이(sensor array) 일례의 평면도이다.
도 2 및 3은 각각 도 1에 2-2 및 3-3 선을 따라 제조된 센서 어레이의 측면도이다.
도 4는 단일 기판(single substrate) 또는 웨이퍼(wafer) 상에 제조될 수 있는 개별 센서 어레이의 사시도이다.
도 5a-51은 상기 도 1 내지 4에 도시된 센서 어레이를 제조하는데 사용될 수 있는 일련의 공정 단계의 예를 도시하고 있다.
도 6은 상기 도 5의 공정에 사용된 섀도 마스크(shadow mask) 일례의 평면도이다.
도 7은 섀도 마스크의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 8은 섀도 마스크의 다른 예를 도시하는 측면도이다.
도 9a는 포토리소그래피(photolithography) 또는 전자빔 리소그래피(electron beam lithography) 방법을 사용하여 센서의 나노와이어를 제조하는 데 사용될 수 있는 또 다른 공정을 도시하고 있고, 도 9b 및 9c는 전자빔 리소그래피(electron beam lithography)를 사용하여 제조된 Ti/Au 이중층 나노와이어의 SEM 이미지를 도시하고 있다.
도 10은 세 가지 다른 소재층으로 각각 구성되는 센서의 예를 도시하고 있다.
도 11a는 반도체 센서 아래 유전체층 및 말단의 최상부로서 반도체 센서를 포함하는 나노구조 브릿지 말단의 일례를 도시하고 있다.
도 11b는 금속 나노-히터로서 작용하는 층 및 유전체층에 의한 하부에 이은 말단의 최상층으로서 금속 나노 온도계(metal nano thermometer)를 포함하는 나노구조 브릿지 말단의 다른 예를 도시하고 있다.
도 12는 나노와이어가 유체를 세포 또는 다른 시료로부터 유체를 제거 및/또는 전달하기 위해 사용될 수 있는 나노튜브를 형성하기 위해 추가공정을 거치는 센서의 일례를 도시하고 있다.
도 13은 나노튜브가 하나 이상의 미세유체 펌프와 연통하게 하는 제어 단계에 나노튜브가 결합된 센서의 일례를 도시하고 있다.
도 14는 나노니들(nano-needle) 일례의 측면도를 도시하고 있다.
도 15 및 16은 나노튜브 내부가 보이는 상기 도 14의 나노니들의 단면도를 도시하고 있다.
도 17 내지 21은 세포로부터 유체를 추출하기 위해 사용된 도 14 내지 16에서 도시하고 있는 나노니들의 공정 단계를 도시하고 있다.
도 22는 단일 기판 또는 웨이퍼 상에 형성될 수 있는 상기 도 14 내지 16에서 도시한 나노니들 어레이의 평면도이다.
도 23은 중공의(hollow) 나노니들의 일 실시예의 단면도이다.
도 1은 본 발명의 센서 어레이(100)의 일례의 평면도를 도시하고 있다. 도 2 및 3은 각각 상기 도 1에 2-2 및 3-3 선을 따라 형성된 센서 어레이(100)의 측면도를 도시하고 있다. 상기 예에서 2개의 센서(102 및 104)는 공통 기판(common substrate) 또는 웨이퍼(106) 상에 형성된다. 보다 일반적으로는, 임의의 수의 센서가 공통 기판 상에 형성될 수 있다. 상기 기판(106)은 예컨대, Si(규소), CMOS 또는 중합체(polymeric) 기판일 수 있고 상기 센서를 제어하고 상기 센서로부터 데이터를 수신하기 위한 마이크로프로세서(microprocessor) 등과 같은 측정 전자장치(measurement electronics)를 포함할 수 있다.
본 문서에서 사용되는 "웨이퍼" 및 "기판"이라는 용어는 각각 독립형(freestanding)의 자가지지 구조체(self-supporting structure)를 지칭하며, 독립형의 자가지지 구조체 위에 형성된 박막 필름층(thin film layer)으로 해석되어서는 안된다.
상기 각각의 센서(102 및 104)는 한 쌍의 전극 패드(110) 및 전극 패드(110) 중 하나에서 각각 끝나는 말단부를 갖는 나노와이어 브릿지(nanowire bridge, 112)를 포함한다. 하나 이상의 금속, 도핑된 반도체(doped semiconductors) 또는 다른 전도성 소재로 형성될 수 있는 상기 전극 패드(110)는 상기 나노와이어 브릿지(112) 및 상기 기판(106)에 형성된 능동장치(active device)의 하부 회로(underlying circuitry) 사이의 통신을 가능하게 한다.
상기 나노와이어 브릿지(112)는 금속, 반도체, 절연체 또는 이들의 임의의 조합으로 형성될 수 있는 한 쌍의 나노크기의 와이어(본 문서에서 "나노와이어"로도 지칭됨, 114)를 포함한다. 일부 측면에서, 나노와이어(114)는 나노와이어 내 및/또는 주변의 환경, 예컨대 화학적 특성, 전기적 특성, 물리적 특성, 생물학적 특성 등을 측정하는데 사용된다. 이러한 측정은 정성적 및/또는 정량적일 수 있다. 예컨대, 어떤 실시태양에서, 상기 나노와이어(114)는 전압(voltage) 또는 전위(electric potential)와 같은 전기적 특성에 대해 응답할 수 있다. 측정 가능한 전기적 특성의 다른 예는 저항(resistance), 저항률(resistivity), 전도도(conductance), 전도율(conductivity) 및 임피던스(impedance) 등을 포함한다. 일부 실시태양에서, 상기 나노와이어(114)는 빛의 강도 및/또는 스펙트럼 조성에서 환경적인 변화에 반응하도록 광전자적으로 활성일 수 있다. 일부 실시태양에서, 상기 나노와이어(114)는 전하 관련 화학적 반응에서 환경적 변화에 반응할 수 있도록 화학적 또는 전기적으로 활성일 수 있다.
도 3에 도시된 나노와이어 브릿지(112)는 삼각형 아치(triangular arch)로 구현되었지만, 보다 일반적으로는 모든 원하는 형상으로 제조될 수 있다. 예컨대, 다양한 실시태양에서, 상기 나노와이어 브릿지(112)는 로마 아치(Roman arch), 벨 아치(bell arch), 둥근 아치(round arch), 란셋(또는 고딕) 아치 또는 오지 아치(Ogee arch)로 구현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일반적으로, 나노크기의 와이어는 그 길이를 따른 임의의 지점에서 적어도 하나의 단면 치수를 갖는 와이어이고 일부 실시태양에서는, 1 마이크로미터 미만, 약 500 nm 미만, 약 200 nm 미만, 약 150 nm 미만, 약 100 nm 미만, 약 70 nm 미만, 약 50 nm 미만, 약 20 nm 미만, 약 10 nm 미만, 약 5 nm 미만, 약 2 nm 미만, 또는 약 1 nm 미만 보다 작은 2개의 직교(orthogonal) 단면 치수(예컨대, 직경)를 가질 수 있다. 나노튜브의 경우, 쉘(shell)은 임의의 적합한 두께, 예컨대, 약 500 nm 미만, 약 200 nm 미만, 약 150 nm 미만, 약 100 nm 미만, 약 70 nm 미만, 약 50 nm 미만, 약 20 nm 미만, 약 10 nm 미만, 약 5 nm 미만, 약 2 nm 미만, 또는 약 1 nm 미만일 수 있다.
일부 특정 실시태양에서, 본 문서에 기재된 센서(102 및 104)는 다음 범위의 치수를 가질 수 있다. 나노와이어 브릿지(112)는 0.1-5 미크론 또는 5-100 미크론 범위의 높이를 가질 수 있다. 각 센서에 대한 전극 패드(110) 사이의 거리는 50-500 nm 또는 500-20,000 nm의 범위일 수 있다. 임의의 적합한 형상(예컨대, 정사각형, 원형)을 가질 수 있는 상기 전극 패드(110)는 10-5000 nm 또는 500-100,000 nm범위의 직경을 가질 수 있다.
도 4는 단일 기판 또는 웨이퍼 상에 형성될 수 있는 개별 센서의 어레이를 도시하는 사시도이다. 상기 도면에서 센서는 y축 방향 및 x축 방향으로 확장된 가로줄(row)에서 연장되는 세로줄(columns)의 어레이로 형성된다. 그러나, 보다 일반적으로, 개별 센서는 임의의 바람직한 배치로 기판 상에 분포될 수 있다. 상기 센서는 능동 전자장치의 기본회로를 사용하여 개별적으로 선택적으로 어드레싱할 수(addressable) 있다.
도 5a-5i는 도 1 내지 4에서 나타낸 상시 센서 어레이(100)를 제조하는데 사용될 수 있는 공정 단계의 순서의 일 예를 보여준다. 단순화를 위해 단일 센서만 도시되어 있으나 이러한 공정은 보다 일반적으로 도 4에 도시된 바와 같이 센서의 어레이를 동시에 형성하는데 사용될 수 있다. 또한, 특정 단계 순서(sequence) 및 마스크 유형과 같은 다양한 세부 사항은 도 5에 도시된 특정 예에 한정되지 않고 다양한 적용을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 상이한 유형의 센서가 공통 기판 또는 웨이퍼 상에 형성되는 구현예에서, 다른 유형의 마스크가 상이한 센서를 제조하기 위해 상이한 순서에서 사용될 수 있다.
도 5는 내장형 활성 장치 및 한 쌍의 전극패드(110)를 갖는 Si 또는 CMOS 기판(106)을 도시하고 있다. 상기 기판(106) 및 전극패드(110)는 임의의 적절한 기술에 따라 제조될 수 있다. 유전체층(120, 예컨대, SiO2, 폴리실리콘, 감광액)이 기판 (106) 위에 형성된다. 상기 유전체층(120)은 형성될 나노와이어 브릿지의 원하는 높이에 대응하는 두께를 갖는다. 감광액 마스크(122)는 도 5b에 도시된 바와 같이, 유전체층(120) 상에 형성된다. 상기 마스크(122)는 종래 기술에 따라 제조될 수 있으며, 도시된 바와 같이 패드(110) 위로 연장된다. 다음으로, 도 5c를 참조하면, 예컨대, 완충액 산화물 에칭(BOE)을 이용한 등방성 습식 에칭(isotropic wet etch)을 유전체층(120)의 일부를 제거하기 위해 수행하였다. 에칭은 등방성이고 수평 및 수직 방향으로 동일한 속도로 에칭되기 때문에, 에칭 후 유전체층의 나머지 부분은 마스크(122) 아래에 집중된 테이퍼 구조의 정점(apex)을 갖는 테이퍼 지지 구조체(124)이다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 테이퍼 지지 구조체(124)의 기저부는 양 전극패드(110) 위로 연장되고 에칭 후에 마스크(122)는 도 5d와 같이 제거된다.
도 5e에서, 섀도 마스크(130)는 기판(106) 위에 배치된다. 도 6에 도시된 섀도 마스크(130)의 평면도에 나타난 바와 같이, 섀도 마스크(130)는 테이퍼 지지 구조체(124) 상에 나노와이어 브리지를 제조하기 위해 소재가 증착되는 애퍼처(135)를 포함한다. 각각의 구멍(135)은 나노와이어 브릿지의 나노와이어를 한정한다. 상기 도 6의 섀도 마스크(130)는 3개의 나노와이어 브릿지를 제조하기 위한 3쌍의 구멍(aperture)을 포함한다. 상기 구멍(135)의 길이는 전극 패드(110) 사이의 간격과 일치한다. 본 발명의 일 실시태양에서, 섀도 마스크(130)는 기계적 강도를 제공하는 얇은 유전체층(134, 예컨대, SiO2, 이산화규소) 및 더 두꺼운 핸들링층(130, 예컨대, PET와 같은 중합체)을 포함한다. 상기 섀도 마스크(130)가 기판(106) 상에 적절히 정렬된 후에, 핸들링층(132)은 예컨대, 반응성 이온에칭(reactive ion etching)과 같은 에칭공정을 사용하여 도 5f에 도시된 바와 같이 제거된다.
그 다음, 증착공정(128, 예컨대, 기화)이 나노구조 브릿지(112)의 나노와이어(114)를 형성하는 소재를 증착하기 위해 도 5g에서 사용된다. 상기 생성된 나노와이어가 단일 소재를 포함한다면, 상기 증착공정은 단일 공정 단계로 형성될 수 있다. 달리, 나노와이어가 헤테로구조인 경우, 다중 증착 단계가 수행될 수 있다. 도 5h는 증착 후에 테이퍼 지지 구조체(124) 위에 형성된 나노와이어(114)를 도시하고 있다. 최종적으로, 또 다른 에칭공정도 섀도 마스크(130)의 유전체층(134) 및 나노구조체 브릿지(112) 아래에 있는 테이퍼 지지 구조체(124)를 제거하기 위해 도 5i에 도시한 바와 같이 수행된다.
상술한 공정 단계의 순서에서, 단일 나노구조 브릿지(112)를 구성하는 2개의 나노와이어(114)는 동일한 소재 또는 소재들로 형성될 수 있다. 그러나, 다른 실시태양에서, 각각의 나노와이어(114)는 상이한 소재 또는 소재들을 포함할 수 있다. 이는, 예컨대, 처리 단계 5j-5l의 순서와 도 5g-5i에서 도시된 처리 단계의 순서를 대체함으로써 달성할 수 있다.
도 5j의 기판(106) 및 섀도 마스크(130)는 증착 소재의 소스에 대해 기울어지고 두 개의 상이한 증착공정(140 및 142)은 도 5k에 도시한 바와 같이, 각각 하나의 나노와이어(114 및 114')를 형성하며 수행된다. 도 5i 도시된 단계와 유사하게, 섀도 마스크(130)의 유전체층(134) 및 나노 구조체 브릿지(112) 아래에 있는 테이퍼 지지 구조체(124)를 제거하기 위하여 또 다른 에칭 공정이 도 51에서 수행된다. 상이한 2개의 나노와이어로부터 나노 구조체 브릿지(112)를 형성함으로써, p/n 다이오드 및 열전대(thermocouples)와 같은 장치가 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 섀도 마스크(130)는 유전체층(134)이 형성된 폴리머 핸들링층(132)을 포함할 수 있다(도 7 참조). 섀도 마스크(130)의 전체 족적(footprint)은 센서가 형성되는 기판 또는 웨이퍼(106)의 족적과 동일할 수 있다. 일부 특정 실시태양에서, 섀도 마스크(130)의 구멍은 레이저 간섭 패터닝(LIP), 전자 빔 리소그래피(EBL) 또는 나노 임프린트 리소그래피(NIL)와 같은 기술을 사용하여 패턴화될 수 있다. 상기 구멍은 반응성 이온에칭 또는 습식에칭을 사용하여 예컨대. 일부 실시태양에서, 10-1,000 nm 사이 및 특히 200-300 nm 사이의 폭을 갖는 나노크기의 라인을 한정하기 위해 상기 패턴으로부터 형성될 수 있다.
도 8에 도시된 다른 실시태양에서, 상기 섀도 마스크(130)는 지지 프레임 (163)상의 박막(161)으로 형성된 마스크일 수 있다. 상기 박막(161)은 제한 없이 SiNx, Si 및 SiO2와 같은 유전체 또는 금속 소재일 수 있다. 상기 지지 프레임(163)은 핸들링을 위한 기계적 강도를 제공하는데, 상기 기계적 강도는 상기 마스크가 각각의 사용 후에 일반적으로 채용되는 세정공정과 함께 여러 번 사용될 수 있게 해준다. 상기 세정공정은 박막은 그대로 남겨두고 증착된 소재를 제거하기 위한 고도로 선택적인 에칭을 포함할 수 있다.
하나의 선택적인 실시태양에서, 나노와이어(114)는 도 9a에 도시된 바와 같이 표준 광식각법(photolithography) 또는 전자 빔 리소그래피 방법을 사용하여 제조될 수 있는데, 상기 방법에 의해 감광액층(133)이 테이퍼 지지 구조체 위에 코팅된다. 감광액 코팅된 기판 위에 패턴을 생성하기 위해, 감광액의 현상에 이어서 광 또는 전자 빔 노출 공정이 사용될 수 있다. 증착 및 리프트-오프 공정 후에, 나노와이어(114)가 테이퍼 지지 구조체(124) 위에 생성된다. 독립형(free standing) 나노와이어(114) 어레이는 테이퍼 지지 구조체(124)의 선택적 제거 후에 획득할 수 있다. 도 9b 및 9c는 감광액 및 SiO2 테이퍼 지지 구조체(124)의 제거 후 PMMA를 이용한 전자빔 리소그래피(e-beam lithography)를 사용하여 제조된 Ti/Au 이중층 나노와이어의 SEM 이미지를 나타낸다. 상술한 바와 같이, 상기 나노와이어(114)는 복합 소재층으로 형성된 헤테로구조(heterostructures)일 수 있다.
상기 나노와이어(114)의 층은 최소한의 교차오염으로 서로 구별될 수 있거나 상기 나노와이어(114)의 조성은 하나의 층에서 다음 층으로 점진적으로 변할 수 있다. 도 10은 나노와이어(114)가 각각 섀도 마스크(130)를 통해 순차적인 증착 단계로 형성되는 3 개의 상이한 소재층(115, 116 및 117)을 각각 포함하는 센서의 일례를 나타낸다. 마찬가지로, 도 11a 및 도 11b는 팁(118)의 최상층 및 반도체 센서 아래에 절연체층(123)으로서 도 11a의 반도체 센서(121)를 포함하는 나노 구조체 브릿지(112)의 팁(118)을 도시하고 있다. 도 11b의 팁(118)은 그 아래에 절연체층(127) 및 금속 나노-히터로서 기능하는 층(129)이 따르는 팁(118)의 최상층으로서 금속 나노 온도계(125)를 포함한다.
일반적으로, 상기 나노와이어(114)는 금속-반도체, 반도체-금속, 금속-금속, 반도체-반도체, 금속-절연체-반도체, 금속-절연체-금속, 금속-반도체-금속, 반도체-절연체-반도체 및 반도체-절연체-금속으로 구성되는 군 중에서 하나 이상을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 헤테로구조로부터 형성된 나노와이어는 예컨대, p/n 접합, p/p 접합, n/n 접합, p/i 접합(여기서 i는 진성 반도체를 의미함), n/i 접합, i/i 접합 또는 유사체를 포함한 상이한 헤테로 접합의 넓은 범위를 포함할 수 있다. 상기 접합은 또한 일부 실시예에서 쇼트키 접합(Schottky junction)일 수 있다.
섀도 마스크(130)에 사용되는 유전체층(134) 및 나노와이어(114)가 증착되는 테이퍼 지지 구조체(124)를 형성하는 유전체층(120)은 동일한 소재로부터 형성되거나 형성되지 않을 수 있다. 이들이 상이한 소재로부터 형성되는 경우, 에칭공정은 테이퍼 지지 구조체(124)의 제거 없이 섀도 마스크의 유전체층(134)을 제거하는 도 5i에서 사용될 수 있다. 이는 테이퍼 지지 구조체(124)가 더 큰 기계적 강도를 제공하기 위해 최종 장치 내에 남아있을 때 유리할 수 있다. 또한, 유전체층(134 및 120)을 동일한 소재로부터 형성하는 경우에는, 이를 제거하는 도 5i에 도시된 에칭 공정이 기상 등방성 화학 에칭(gas phase isotropic chemical etching) 또는 습식 화학 에칭(wet chemical etching) 공정일 수 있다. 임계점 건조 공정(critical point drying process) 등은 습식 화학적 에칭이 사용되는 경우 액체 증발로 인해 나노와이어 브릿지 구조가 붕괴되는 것을 방지하기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시태양에서, 나노와이어 브릿지(112)를 형성하는 나노와이어(114)는 나노튜브가 통신하는 세포 또는 다른 시료로부터 유체를 제거 및/또는 전달하기 위해 사용될 수 있는 나노튜브를 형성하기 위해 추가공정(further processing)을 거칠 수 있다. 상기 공정은 예컨대, 도 10에 도시한 3개의 층 나노와이어로 시작하여 달성될 수 있다. 최초 추가공정 단계에서 팁의 적어도 첫 2개 상부층(116 및 117)은 예컨대 EMP 또는 이온 밀링(ion milling)을 사용하여 제거된다. 그 후, 중간층(116, 예컨대, Si 또는 금속 산화물)은 화학적 또는 다른 공정을 사용하여 선택적으로 제거된다. 생성된 나노튜브(119)는 도 12에 도시되어 있다. 도 13에 도시된 일 실시태양에서, 상기 나노튜브는 제어반(control stage, 131)에 결합될 수 있는데, 상기 제어반은 상기 나노튜브가 미소 전자 기계 시스템(MEMS) 액추에이터 또는 그 유사체를 채용할 수 있는 하나 또는 그 이상의 마이크로유체 펌프와 통신 가능하게 한다.
다른 장점들 중에서도 본 문서에서 제시된 공정들은 CMOS 칩 위에 많은 센서 어레이를 생산할 수 있는 CMOS 제조 공정과 호환이 가능하다. 더 나아가, 다른 패턴들이 상기 섀도 마스크의 다른 영역들에 사용될 수 있는데, 이런 다른 패턴들은 도 4에 도시된 센서의 대칭 어레이와 달리 표면의 다른 부분 위에 다른 센서 배열을 갖는 어레이를 산출하게 된다. 덧붙여, 가요성 기판(flexible substrate)의 사용으로 인해 많은 다른 응용기기에 사용될 수 있는 가요성의 또는 등각의 센서 어레이의 제조가 가능하게 된다. 뿐만 아니라, 상기 지지 기판(106)은 에칭공정에 의해 제거될 수 있고, 3D 센서 어레이 네트워크는 세포 클러스터(cell cluster) 및 조직공학을 위한 스캐폴드로 사용될 수 있거나 또는 연성(soft)/가요성(flexible) 호스팅 소재에 내장될 수 있는데, 이러한 소재는 감지 및 생명공학에서 폭넓게 응용될 수 있다.
본 명세서에 도시된 상기 장치는 폭넓고 다양한 분야에 적용될 수 있다. 예를 들어, 약물 스크리닝 원위치 기록(in-situ recording)을 위한 바이오센서로; 생체/화학 온도, 압력 및/또는 유량 센서(flow sensors)를 갖춘 다기능 통합 검출 시스템을 위한 신경탐침(neuroprobes)으로; 광센서 어레이로; 블랙 코팅 및 IR 필터 소재를 포함하는 온도계 프로브를 코팅에 의한 IR 센서 또는 IR 이미지 센서 어레이; THz 센서 또는 이미지 센서 어레이; 자이로 센서로서 액체 게이트를 갖는 플로팅 게이트 구조 트랜지스터 어레이; TFT 구동 회로 또는 CMOS 판독 회로를 갖는 E-Nose 어레이; 자이로 센서용 액체 게이트를 가진 TFT; 전자-신경 세포 인터페이스 또는 두뇌 CNS 인터페이스로 사용하기 위한 메모리 또는 터널링 장치를 위한 적층된 MIM 장치로서 사용될 수 있다. 다른 응용분야로는 세포 내 신호 전달, 경로 분석/모니터링 및 수정/제어, 뇌매핑(brain mapping), 온열요법(thermotherapy), 전자 피부 적용 등을 위한 원위치(in-situ) 줄기세포 연구를 포함한다. 또한, 다른 응용분야는 에너지 수확을 위해 MIM 또는 MUM 안테나 구조와 같은 층을 사용할 수 있다. 더 나아가, 지지 기판(106)이 에칭공정에 의해 제거되는 경우, 3D 센서 어레이 네트워크는 세포 클러스터 및 조직공학을 위한 스캐폴드로 사용될 수 있거나 또는 연성/가요성 호스팅 소재 내에 내장됨으로써, 예컨대 약물 개발, 생물학적 감지 및 전자 피부, 뇌매핑, 온열요법 등의 용도에 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 단일 나노튜브가 예컨대 단일 세포 생검(biopsies)을 수행하는데 사용될 수 있는 나노니들 및/또는 나노펌프로 사용하기 위해 제조될 수 있다. 도 14에 나타난 바와 같이, 상기 나노니들(150)은 Si CMOS 또는 폴리머 기판(155) 위에 형성될 수 있다. 유전체(152) 또는 다른 층이 기판상에 형성될 수 있고, 그 위에 나노니들(150)의 베이스(154)가 형성될 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 불소중합체(fluoropolymer, 예: 테플론) 또는 다른 소수성(예: 소수성 또는 초소수성 중합체) 코팅이 나노튜브의 외표면에 도포될 수 있다. 상기 코팅은 예컨대 증착(vapor deposition) 또는 용액 화학반응에 의해 형성될 수 있는 하나 이상의 박막을 포함할 수 있다.
도 15는 나노튜브 내부가 보이는 나노니들(150)의 단면도를 도시하고 있다. 상기 나노니들(150)의 벽(153)은 나노와이어가 제조될 수 있는 상술한 소재 중 임의의 소재로 형성될 수 있다. 일 실시태양에서, 상기 나노니들 벽(153)은 금, 은, 구리 또는 티타늄과 같은 금속으로부터 형성될 수 있다. 상기 나노튜브의 내부는 부분적으로 실리콘(156)과 같은 적절한 소재로 채워질 수 있다. 상기 나노튜브의 내부의 남은 부분은 유체 또는 세포 또는 정보를 얻을 대상인 다른 시료로부터 유래한 다른 소재에 대한 저장조(158)로서 사용될 수 있다.
상기 나노튜브의 다양한 치수 매개변수가 도 16에 도시되어 있다. 일부 실시태양에서 상기 매개변수에 대한 예시적 값(illustrative values)은 다음과 같다. 나노니들(150)의 길이(L) 및 직경(d)은 각각 1,000 내지 50,000 nm 및 50 내지 200 nm의 범위일 수 있다. 상기 나노니들(150)의 개방 저장조(158) 부분의 길이(I)는 500 내지 50,000 nm의 범위일 수 있다. 상기 나노니들(150)의 베이스(154)의 두께(T)는 500 내지 1,000 nm의 범위일 수 있다. 나노 니들(150)을 한정하는 벽 (153)의 두께(tm)는 50 ~ 200 nm의 범위일 수 있고, 소수성 층으로 작용하는 외부 코팅(151)의 두께는 50 ~ 100 nm일 수 있다. 체액 검사 응용기기와 다른 응용기기에서는 크기가 더 클 수 있다. 예를 들어, 이러한 응용기기에 있어서, 나노니들(150)의 길이(L) 및 직경(d)은 각각 50,000-1,000,000 nm 및 1,000-250,000 nm의 범위 일 수 있다.
일부 실시태양에서 나노펌프는 마이크로 밸브, 마이크로유체 채널, MEMS 펌프 및 제어회로에 결합시킴으로써 나노니들로부터 제조될 수 있다.
도 17에 도시된 바와 같이, 반대전극(157, counterelectrode)이 기판(155)의 유전체층(152) 위에 형성될 수 있다. 상기 방식으로 전압이 나노니들(150)과 반대전극(157) 사이에 인가될 수 있다. 상기 전압은 상기 나노니들(150)로부터 유체의 유입 및 배출을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 작동중에, 상기 나노니들(150)은 도 18에 도시된 바와 같이 세포 또는 다른 시료 내로 삽입될 수 있다. 나노니들(150)의 외부 표면은 일반적으로 친수성이기 때문에 유체가 나노니들(150)에 거의 또는 전혀 들어가지 않을 것이다. 다음으로 도 19에 도시된 바와 같이, 나노니들(150)과 반대전극(157) 사이에 바이어스(bias)가 인가될 수 있다. 그 결과, 양전하(positive charge)가 나노니들(150)을 형성하는 금속층(153) 상에 형성되고 유체는 모세관 작용(capillary action) 뿐만 아니라 전자습윤 효과(electrowetting effect)에 의해 나노니들(150)의 저장조(158)로 유입된다. 이어서, 상기 바이어스가 계속 인가되는 동안(도 20 참조) 나노니들(150)이 세포로부터 인출될 수 있다. 그 후, 상기 바이어스는 나노니들(150)으로부터 제거될 수 있는데, 이를 통해 모세관 현상과 외표면의 소수성 특성(hydrophobic nature)의 결과로 도 21에 도시한 바와 같이 상기 유체가 나노니들(150)로부터 배출된다.
도 22는 단일 기판 또는 웨이퍼(155) 상에 형성될 수 있는 상술한 유형의 나노니들(150) 어레이의 평면도이다. 상기 개별 나노니들(150)은 나노펌프(150) 및 반대전극(157)을 구획하는 금속벽 사이의 전압을 제어하여 개별적으로 전기적으로 어드레싱할 수(addressable) 있다.
도 23에 도시된 바와 같이 일부 구현예에서 전체 나노니들(150)은 기판(155)에 형성된 하나 이상의 채널(160)에 기저부가 노출된 중공형(hollow)일 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 나노니들(150)은 화학제품, 약물, 성장인자, 단백질 등과 같은 세포 또는 다른 시료 유체를 전달하기 위해 사용될 수 있다. 상기 나노니들(150)은 예컨대 수성 및/또는 유성-기반의 잉크의 전달을 위한 나노노즐 또는 3D 나노프린팅과 같은 응용을 위해 사용될 수 있는 채널(160)을 통해 미세유체 펌프(microfluidic pump, 미도시)에 연결될 수 있다.
일부 실시태양에서, 다수의 나노니들(150)이 제조되고 약물 스크리닝 및 개발, 약물전달, 뇌매핑, 줄기세포 연구, 조직공학 및 장기개발, 생물학적 유체 모니터링 등의 응용분야로 이어질 수 있는 시간적 및 공간적으로 분리된 방식으로 세포막, 피부 또는 다른 시료의 안팎으로 유체를 펌핑하도록 개별적으로 제어될 수 있는 미세유체 펌프에 연결될 수 있다.

Claims (39)

  1. 나노크기의 프로브의 구성에 있어서:
    기판; 및 한 쌍의 나노크기의 와이어는 각각 기판 상에 배치된 제1말단 및 제2말단을 포함하고 각 나노크기의 와이어의 상기 제2말단은 서로 접촉하여 한 쌍의 나노크기의 와이어가 상기 기판 위에 연장되는 브리지를 형성하는 나노크기의 프로브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 상기 기판의 표면 상에 배치된 한 쌍의 전극을 포함하고, 상기 나노크기의 와이어의 상기 제1말단 각각은 상기 전극 중 하나에 위치하고 상기 전극과 전기적으로 통신하는, 나노크기의 프로브.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판 내에 형성된 적어도 하나의 전자장치를 추가로 포함하고, 상기 전자장치는 상기 전극과 전기적으로 통신하는, 나노크기의 프로브.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전자 장치는 마이크로 프로세서를 포함하는 나노크기의 프로브.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 나노크기의 와이어는 복수 쌍의 나노크기의 와이어를 포함하고, 상기 각각의 나노크기의 와이어 쌍은 개별 센서를 한정하는, 나노크기의 프로브.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노와이어 중 적어도 하나는 실리콘을 포함하는, 나노크기의 프로브.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 나노와이어 중 적어도 하나는 금속을 포함하는, 나노크기의 프로브.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 개별 센서들은 상기 기판 상에 배치된 센서 어레이를 집합적으로 한정하는, 나노크기의 프로브.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 나노크기의 와이어 내의 나노크기의 와이어는 공통 소재 또는 소재들로 이루어지는, 나노크기의 프로브.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 나노크기의 와이어 내의 나노크기의 와이어는 서로 적어도 하나의 상이한 소재로 이루어지는, 나노크기의 프로브.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 기판 상에 배치되고 상기 브리지 아래에 배치된 나노크기의 지지 구조체를 추가로 포함하고, 상기 나노크기의 와이어는 상기 지지 구조체 상에 위치하는, 나노크기의 프로브.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 지지 구조체는 상기 브리지의 형태에 따라 테이퍼 형상을 가지고, 그에 따라 상기 나노와이어는 각각의 길이의 전체를 따라 상기 지지 구조체와 접촉하는, 나노크기의 프로브.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 나노크기의 와이어 각각은 헤테로 구조체를 포함하는, 나노크기의 프로브.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 나노크기의 와이어 각각은 상이한 소재로 이루어진 복수의 층을 포함하는 층 구조를 포함하는, 나노크기의 프로브.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 상이한 소재는 금속, 반도체 및 절연체로 이루어진 군으로부터 선택되는, 나노크기의 프로브.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 반도체 기판인 나노크기의 프로브.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 CMOS 기판인, 나노크기의 프로브.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 가요성 기판인, 나노크기의 프로브.
  19. 제5항에 있어서,
    상기 각각의 센서는 상기 전자 장치에 의해 독립적으로 그리고 선택적으로 어드레싱할 수 있는(addressable), 나노크기의 프로브.
  20. 기판 상에 유전체층을 형성하는 단계;
    상기 기판 위에 감광액 마스크를 도포하는 단계;
    상기 유전체층의 등방성 에칭을 수행하여 상기 유전체층의 잔류 부분이 상기 감광액 마스크 아래에 위치한 테이퍼 지지 구조체를 한정하게 하는 단계;
    상기 감광액 마스크를 제거하고 상기 테이퍼 지지 구조체 위에 상기 테이퍼 지지 구조체를 따라 정렬된 적어도 한 쌍의 나노크기의 구멍을 가지며 상기 각각의 나노크기의 구멍을 통해 증착된 소재가 상기 테이퍼 지지 구조체의 상이한 표면 위에 나노크기의 와이어를 형성할 수 있는 섀도 마스크를 도포하는 단계; 및
    상기 한 쌍의 나노크기의 와이어를 형성하기 위해 상기 나노크기의 구멍을 통해 소재를 증착하는 단계를 포함하는 나노크기의 프로브를 제조하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 기판은 상기 기판 상에 위치한 한 쌍의 전극을 포함하고, 상기 감광액 마스크는 상기 각각의 한 쌍의 전극의 부분 위로 연장되는 상기 테이퍼 구조체의 등방성 에칭을 수행한 후 정렬되는, 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 섀도 마스크, 상기 테이퍼 지지 구조체 및 임계점 건조 프로세스를 제거하기 위한 에칭 단계를 수행하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 나노크기의 와이어는 상기 테이퍼 지지 구조체의 꼭대기에서 서로 접촉하는 말단으로 구성되어 상기 나노크기의 와이어가 상기 기판 위에 연장되는 브리지를 한정하는, 방법.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 한 쌍의 나노크기의 와이어를 형성하기 위해 상기 나노크기의 구멍을 통해 소재를 증착하는 단계는 상기 나노크기의 와이어 중 제1 나노와이어를 형성하기 위해 상기 제1구멍을 통해 적어도 제1소재를 증착하는 단계 및
    상기 제1소재 및 제2소재가 서로 다른 제2나노크기의 와이어를 형성하기 위해 제2구멍을 통해 적어도 제2소재를 증착하는 단계를 포함하는, 방법.
  25. 제20항에 있어서,
    상기 나노크기의 와이어의 제1쌍을 형성하기 위해 상기 나노크기의 구멍을 통한 소재를 증착하는 단계는 상기 구멍 중 적어도 하나의 구멍을 통해 복수의 소재를 순차적으로 증착하는 단계를 포함하는, 방법.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 나노크기의 와이어의 제1쌍을 형성하기 위해 상기 나노크기의 구멍을 통한 소재를 증착하는 단계는 층형 헤테로 구조 나노와이어를 형성하기 위해 상기 구멍 중 적어도 하나의 구멍을 통해 복수의 소재를 순차적으로 증착하는 단계를 포함하는, 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 제1쌍의 층형 헤테로 구조 나노와이어 각각은 제1 및 제2 외층 및 적어도 하나의 내층을 추가로 포함하고, 상기 내부 층들 중 적어도 하나를 노출시키도록 상기 브리지의 팁을 에칭하는 단계; 및
    상기 나노크기의 와이어 각각으로부터 상기 내부층 중 적어도 하나를 선택적으로 제거하여 한 쌍의 나노튜브를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  28. 제20항에 있어서,
    상기 등방성 에칭을 수행하는 단계는 상기 유전체층의 등방성 에칭을 수행하여 상기 유전체층의 잔류 부분이 복수의 테이퍼 지지 구조체를 한정하고, 상기 섀도 마스크가 복수의 테이퍼 지지 구조체에 따라 정렬된 복수의 쌍인 나노크기의 구멍이 상기 하나의 테이퍼 지지 구조체 상에서 한 쌍의 나노크기의 와이어를 형성하는 각각 한 쌍의 나노크기의 구멍을 통해 증착된 소재를 포함하고 상기 각각의 한 쌍의 나노크기의 와이어는 상기 기판 위에 연장되는 나노크기의 브리지를 한정하고 상기 나노크기의 와이어를 형성하기 위해 상기 나노크기의 구멍을 통한 증착된 소재를 추가로 포함하는, 방법.
  29. 제20항에 있어서,
    상기 소재를 증착하는 단계는 증발 공정을 사용하여 상기 소재를 증착시키는 단계를 포함하는, 방법.
  30. 기판;
    상기 기판 상에 배치된 유전체층;
    상기 유전체층 위에 배치된 기저부 및, 상기 기저부로부터 이격된 전도성 나노튜브의 일 말단에 배치된 개구부를 포함하며, 상기 개구부가 시료와 유체 연통하도록 조절된 구성된 전도성 나노튜브;
    상기 전도성 나노튜브의 외표면 상에 배치된 소수성 코팅; 및
    상기 유전체층 위에 배치되고 상기 전도성 나노튜브로부터 이격된 전극을 포함하는 나노크기의 니들 및 나노펌프.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 전도성 나노튜브의 내부를 부분적으로 채우는 소재를 포함함으로써, 상기 소재 및 상기 나노튜브의 개구부 사이의 내부에 저장조가 남아있는, 나노크기의 니들.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 소재는 실리콘(silicon)인, 나노크기의 니들.
  33. 제30항에 있어서,
    상기 소수성 코팅은 불소 중합체(fluoropolymer)를 포함하는, 나노크기의 니들.
  34. 제30항에 있어서,
    상기 전도성 나노튜브는 상기 유전체층 위에 배치된 복수의 전도성 나노튜브를 포함하며, 상기 전도성 나노튜브 각각은 전극과 상기 각각의 전도성 나노튜브 사이의 전압을 제어하여 개별적으로 선택적으로 어드레싱이 가능한(addressable), 나노크기의 니들.
  35. 제30항에 있어서,
    유체를 전달하기 위해 전도성 나노튜브의 상기 기저부와 유체 연통하는 마이크로유체 펌프를 추가로 포함하는, 나노크기의 니들.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 마이크로유체 펌프는 기판 내에 또는 기판 위에 배치되는, 나노크기의 니들.
  37. 전도성 측벽 및 상기 전도성 측벽 위에 소수성 코팅을 갖는 나노튜브에 시료를 삽입하여, 상기 나노튜브의 개구부가 상기 시료의 내부와 유체 연통되도록 하는 단계;
    상기 나노튜브가 삽입된 후, 상기 전도성 측벽과 반대전극 사이에 바이어스를 인가하여 유체가 전자습윤 효과(electrowetting effect)에 따라 적어도 부분적으로 개구부를 통해 나노튜브의 내부로 유입되도록 하는 단계;
    상기 바이어스가 계속적으로 인가되는 동안, 상기 유체가 내부로 유입된 후에 상기 시료로부터 상기 나노튜브를 인출하는 단계; 및
    상기 나노튜브로부터 상기 유체를 배출하여 상기 바이어스를 제거하는 단계를 포함하는, 나노니들을 이용하여 시료로부터 액체를 추출하는 방법.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 시료는 생물학적 시료인, 방법.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 생물학적 시료는 세포인, 방법.
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