KR20110091863A - 자기 패터닝 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR20110091863A
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론 나만
아모스 바르데아
알렉산데르 요페
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예다 리서치 앤드 디벨럽먼트 캄파니 리미티드
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Abstract

본 발명은 기판을 패터닝하기 위한 방법 및 장치에 관련된다. 상기 방법은, 목적 패턴에 따라 변화하는 자성 특성들을 자기장에 유도하기 위해 자기장을 조정하도록 구성되고 조작 가능한 적어도 하나의 자기 패턴 발생기(100b)를 제공하는 단계; 기판(102)의 부근에 조정된 자기장을 가하여, 기판의 상부에 얻어지는 상호작용의 영역들의 특정 패턴을 형성하는 단계; 및 조정된 자기장의 적용 하에서, 기판이 자성 입자들(106)과 상호작용하는 단계를 포함하고, 자성 입자들은 특정 패턴에 의해 정의된 선택된 상호작용의 영역들에 유인되고, 상호작용의 영역들 외측의 영역들에는 실질적으로 유인되지 않으며, 따라서 자성 입자들과 상호작용하는 특정 패턴의 영역들을 기판의 상부에 형성한다. 목적 패턴은 소정 자기장 프로파일에 대해, 샘플이 위치하게 되는 자기 패턴 발생기로부터 소정 거리에서, 특정 패턴에 대응한다.

Description

자기 패터닝 방법 및 시스템{Magnetic patterning method and system}
본 발명은 일반적으로 패터닝 기술 분야에 속하며, 자성 입자들을 이용하는 패터닝에 관한 것이다.
참조들
본 발명의 배경 기술을 이해하기 위한 목적으로 아래의 참조들이 적절할 것으로 생각된다.
1. Stewart, M. E., Motala, M. J., Yao, J., Thompson, L. B. & Nuzzo, R. G. Unconventional methods for forming nanopattems. J. Nanoengineering and Nanosystems 220, 81-138 (2007).
2. Quist, A. P., Pavlovic, E. & Oscarsson, S. Recent advances in microcontact printing. Anal. Bioanal. Chem. 381, 591-600 (2005).
3. Park, J. L, Jun,Y. W., Choi, J. S. & Cheon, J. Highly crystalline anisotropic superstructures via magnetic field induced nanoparticle assembly. Chem. Commun. 5001-5003 (2007).
4. a) M. Geissler, A. Bernard, A. Bietsch, H. Schmid, B. Michel, E. Delamarche, Microcontact-printing chemical patterns with flat stamps J. Am . Chem . Soc . 2000, 122, 6303-6304; b) B. Michel, A. Bernard, A. Bietsch, E. Delamarche, M.Geissler, D. Juncker, H. Kind, J. P. Renault, H. Rothuizen, H. Schmid, P. Schmidt- Winkel, R. Stutz, H. Wolf, Printing meets lithography: Soft approaches to high-resolution patterning IBM J. Res . DeV. 2001, 45, 697-719.
5. Y. L. Loo, R. L. Willett, K. W. Baldwin, J. A. Rogers, Additive, nanoscale patterning of metal films with a stamp and a surface chemistry mediated transfer process: Applications in plastic electronics Appl . Phys . Lett. 2002, 81, 562-564
6. H. O. Jacobs, G. M. Whitesides, Submicrometer patterning of charge in thin-Film electrets Science 2001, 291, 1763-1766
7. H. Schmid, H. Wolf, R. Allenspach, H Riel,. S. Karg, B, Michel, Preparation of metallic films on elastomeric stamps and their application for contact processing and contact printing AdV . Fund Mater. 2003, 13, 145-153
8. A. Buxboim, M. Bar-Dagan, V. Frydman, D. Zbaida, M. Morpurgo, R. Bar-Ziv, A single-step photolithographic interface for cell-free gene expression and active biochips Small 2007, 3, 500-510
9. J. D. Hoff, L. J. Cheng, E. Meyhofer, L. J. Guo, A. J. Hunt, Nanoscale protein patterning by imprint lithography Nano Lett. 2004, 4, 853-857
10. Hoeppener, S., Maoz, R. & Sagiv, J. Constructive microlithography: Electrochemical printing of monolayer template patterns extends constructive nanolithography to the micrometer-millimeter dimension range. Nano Lett. 3, 761- 767 (2003).
11. Urbach, A. R. J., Love, C, Prentiss, M.G. & Whitesides, G.M. Sub- 100 nm confinement of magnetic nanoparticles using localized, magnetic field gradients. JACS, 2003, 125, 12704-12705.
12. Bandic, Z. Z., Xu, H., Hsu, Y. & Albrecht, T. R. Magnetic lithography using flexible magnetic masks: applications to servowriting. IEEE Transactions on Magnetics, 39, 2231-2233 (2003).
13. McClelland, G.M., Hart, M.W., Rettner, C.T., Best, M.E., Carter, K.R. & Terris, B. D. Nanoscale patterning of magnetic islands by imprint lithography using a flexible mold. Appl . Phys . Lett . 81, 1483-1485 (2002).
통상의 포토 리소그래피(photolithography)에 의한 나노 소자들의 제조는 단파장 방사의 적용 및 포토 레지스트로 사용될 수 있는 특별한 폴리머들의 사용을 요구한다. 이러한 접근은 중대한 공학 및 재료 과학의 과제들을 제시한다. 분해능(resolution)의 면에서 광학 리소그래피의 발전은 분해능 및 이에 의한 반도체 웨이퍼들 상의 피쳐(feature)들의 밀도의 증가에 있어 실제로 제한 단계(limiting step)이다[4]. 그러나, 포토 리소그래피는 최소 피쳐 사이즈를 더욱 낮춰야하는 중대한 과제들에 직면한다. 포토 리소그래피에서의 임계 치수들의 감소는 정교한 고비용의 시스템들의 개발을 수반하며 심지어 미래에 더욱 고비용의 도구들을 필요로 할 수 있다[5].
표면들의 화학적 패터닝은 많은 연구들의 주안점이 되었고[1, 6], 바이오-기술의 응용들에 널리 사용된다[7]. 표면들의 화학적 패터닝은 STM 및/또는 AFM에 기초한 고-분해능, 저-수율 기술들에서부터 다양한 프린팅계 방법들[2, 4-7, 10], 및 포토 리소그래피에 기초한 패터닝 방법들[1]까지 다양한 방법들에 의해 수행된다. 마이크로전자 공정들 및 화학적 패터닝 모두의 결합에 의해 제조된 소자도 개발되었다. 바이오-기술의 응용들에 있어, 다양한 소프트-리소그래피 방법들이 개발되었다[8, 9]. 모든 상기의 방법들에서 공통의 특징은, 스탬프, 몰드, 또는 마스크와 같은 탄성 중합체(elastomer)(단단한 포토 마스크보다)가 마이크로 패턴들 및 마이크로구조물들을 형성하기 위해 사용된다는 것이다. 그러나, 상기 기술들의 대부분은 하나의 단계에 한정되며, 동일한 표면에 대한 연속적인 패터닝은 정렬 문제들로 인하여 매우 복잡하다. 또한, 통상적으로 화학적 패터닝을 위해 사용되는 상기 방법들은 금속 증착, 식각, 및 일반적으로 반도체계 소자들을 제조하는데 있어서는 상보적(complementary)이지 않다.
동시에, 몇 개의 다른 기술들이 마이크로전자 응용들을 위한 포토 리소그래피에 있어 발전들을 가져왔다. 상기 기술들 중에는 오프-축 조명계(off-axis illumination, OAI), 광학 근접 보정(optical proximity correction, OPC), 액침(immersion) 리소그래피, 및 위상 반전 마스크(phase shifting mask) 기술들이 있다. OPC 또는 위상 지연을 사용하는 포토 마스크들은 제조하기 복잡하고 극도의 고비용이 요구된다.
대부분의 마이크론 및 서브-마이크론 제조 공정들은, 고수율을 갖는 패터닝 표면들에 대한 필수 도구인 포토 리소그래피에 의한 탑-다운(top-down) 방법에 기초한다[1]. 분자-계 소자들 또는 하이브리드 유기-반도체 소자들에 대해 화학적으로 표면들을 패터닝하는 경우, 포토 리소그래피는, 추가의 화학적 공정들을 오염시키거나 방해할 수 있는 포토 레지스트(photoresist)로 표면들을 커버하여야 하기 때문에 문제의 소지가 있다. 또한, 포토 리소그래피를 화학적 패터닝과 결합하는 것은 기판을 흡착(adsorption) 용액으로부터 배제하여야 할 것을 요구하며, 이에 의해 공기 또는 오염에 노출된다. 또한, 현재의 포토 리소그래피 기술들로는, 튜브의 안쪽을 패터닝하거나 기판 상의 위치의 함수로써 흡착되는 화학 약품들의 농도 구배(gradient)를 유도하는 것이 불가능하다.
화학적 종들(예컨대, 확학 시약들) 또는 생물학적 종들(예컨대, 세포 물질, 폴리머들, 단백질들, DNA, 및 동종물)을 마이크로스케일에서 조작하는 능력은 많은 응용들에서 중요하다. 상기 응용들은 특히 조직 공학(tissue engineering), 바이오 기술, 마이크로분석들, 및 마이크로합성의 분야들에 속한다. 상기 응용에 따라, 조작은 상기 종들의 배치(예컨대, 패터닝), 분리, 및/또는 전달을 수반할 수 있다.
종들을 조작하는 하나의 예는 자기-계 시스템들의 이용을 수반한다. 종종, 목표하는 종들은 자성 물질을 포함하거나 자성 물질에 임베딩되며(예컨대, 자성 비드들에 상기 종들을 첨가(tagging)함으로써), 상기 종들은 자기장들을 이용하여 유인되거나 분리될 수 있다. 많은 경우에, 상기 종들은 기판 상에 패터닝된 자성 영역들을 향하여 유인된다. 뒤이어, 상기 종들은 상기 자성 영역들에 의해 정의된 기판 상의 패턴들을 형성할 수 있다.
용액들 내에서 일어나는 보통의 화학 공정들과 생체 내에서의 화학적 성질 사이의 중요한 차이는 생물학적 시스템들의 전형적인 순차적(sequential) 공정들에 있다. 즉, 생체 내에서, 공간 및 시간은 순차적으로 일어나는 반응들에서 분리되는데, 시험관 내에서는 순차적 공정들을 수행하기 위하여 반응제들 및 생성물들을 분리하여야한다. 그러나, 랩-온-어-칩(Lab-on-a-chip, LOC)의 개념이 도입될 때, 이러한 차이는 가교 역할을 하였다. LOC에서 마이크로-토탈 분석 시스템들과 관련된 마이크로유체 기술[11]은 빠르게 발전하였으며, 화학, 제약, 의료, 및 식품 산업들에 의심할 여지없이 대변혁을 가져올 것이다[12]. 전형적인 LOC 시스템에서, 마이크로-채널은 가장 일반적이고 필수적인 구성 요소들 중의 하나로, 샘플의 선-농축(pre-concentration) 및 분리 또는 혼합이 이를 통해 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 공정들의 결과들은 해당하는 반응 및 검출 작업들을 실행하기 위해 목적하는 구역으로 전달될 수 있다[13]. 따라서, 전형적인 LOC 요소는 두 개의 유형들의 구성 요소들인 마이크로-채널들 및 반응/검출 구획들을 갖는다.
본 발명은 “바텀-업(bottom-up)” 방법에 기반하여 자성 입자들을 이용하는 새로운 패터닝 기술을 제공한다. 일부의 공지된 방법들이 자기장들의 이용을 통해 화학적 및/또는 생물학적 종들의 배치를 가능하게 하는데, 상기 공지된 기술들은 통상적으로 기판 내, 또는 기판 상에 제조된 자성 구성 요소들을 요구하고/요구하거나, 목표하는 종들이 자성 물질 내에 함유되거나 임베딩될 것을 요구한다는 것이 이해될 것이다.
일반적으로 “바텀-업” 화학적 리소그래피로 알려진 방법은 상대적으로 낮은 수율을 가지며, 이는 고비용일 수 있으며 수율을 감소시키는 결함들을 도입할 수 있는 병렬 처리(parallelism)에 의해 극복될 수 있다는 것을 유의하여야한다. 이러한 마이크로 접촉 나노리소그래피의 다양한 “프린팅” 설계들이 발전되어왔으며[2], 이는 실제로 고수율을 내도록 스케일링될 수 있으나 통상 제조의 단일 단계에 한정되며, 기판과의 접촉을 수반하는데, 이는 다른 화학적 공정들에 영향을 미칠 수 있다. 나노콘택 프린팅 및 나노-임프린팅(nano-imprinting) 리소그래피[9]와 같은 다른 유사한 리소그래피 기술들과 달리, 본 발명의 자기 리소그래피(Magneto Lithography, ML) 방법은 배면 리소그래피 기술로, 높은 정확도의 정렬과 모든 층들에 대한 동일한 효율로 다층물들을 용이하게 제조하는 이점을 갖는다.
따라서, 현재의 발명은 기판을 패터닝하기 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은, 목적 패턴에 따라 자기장을 조정(즉, 자기장에 대해 변화하는 자성 특성을 유도)하도록 구성되고 조작 가능한 적어도 하나의 자기 패턴 발생기를 제공하는 단계; 기판의 부근에 조정된 자기장을 가하여(즉, 상기 자기 패턴 발생기를 통해 상기 자기장을 인가), 상기 기판의 상부에 얻어지는 상호작용의 영역들의 특정 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 조정된 자기장의 인가 하에서, 상기 기판이 자성 입자들과 상호작용하는 단계를 포함하고, 상기 자성 입자들은 상기 특정 패턴에 의해 정의된 상기 선택된 상호작용의 영역들에 유인되고, 상기 상호작용의 영역들 외측의 영역들에는 실질적으로 유인되지 않으며, 따라서 상기 자성 입자들과 상호작용하는 상기 특정 패턴의 영역들을 상기 기판의 상부에 형성한다. 상기 목적 패턴은, 소정 자기장 프로파일에 대해, 샘플이 위치하게 되는 상기 자기 패턴 발생기로부터 소정 거리에서, 상기 특정 패턴에 대응한다.
본 발명의 교시들에 따라, 자기장은 기판에 가해지며, 이는 자기장 프로파일(세기)이 상기 기판의 면 내에서 소정 방식으로 변화한다. 이는 목적 패턴에 따라 그에 가해지는 자기장의 자성 변화 특성들을 제공하는 적어도 하나의 자기 패턴 발생기를 이용하여 이루어질 수 있다.
상기 자기 패턴 발생기는 자기장 소스와 패터닝될 기판 사이에 수용된 물리적 성분 또는 성분들을 포함할 수 있다; 또는 자기장 특성들(프로파일)에 전기적으로 영향을 주는 자기장 소스의 구동에 의해 구성될 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 상기 자기 패턴 발생기는 상기 자기장을 형성하는 자석(자기장 소스)과 상기 기판의 사이에 위치하는 마스크이며, 상기 마스크는 상기 기판의 전면 또는 배면 중 어느 하나에 위치하거나 상기 기판의 배면으로부터 이격되어 있다.
일부 다른 실시예들에서, 상기 자기 패턴 발생기는 컴퓨터들에 사용되는 하드디스크 소자들의 원리에 기초하고, 자기 헤드를 이용하여 자화 방향을 변화시킴으로써 전기적으로 자기장 공간 패턴을 얻도록 할 수 있다. 이 경우, 하드디스크들 소자들에 존재하는 것과 유사한 자기 헤드가 자기 매체, 특히 하드디스크 매체 상에 자기장을 패터닝하기 위해 이용된다. 이는 패턴(예컨대 컴퓨터의 스크린 상에 패터닝된 그림)을 자기 매체, 예를 들어 하드디스크 매체 상으로 자기 형상들로 전달하는 소프트웨어를 이용함으로써 이루어질 수 있다. 다음으로 하드디스크 매체는 하드디스크 드라이브로부터 꺼내어 지고 자기 패턴 발생기로 이용된다. 다음으로 얇은 금속 또는 폴리머 막이 패터닝된 하드디스크 매체 상에 증착될 수 있다. 다음으로 하드디스크 매체가 자기 패턴 발생기로 사용되는 경우, 자성 나노입자들은 본 발명의 교시들에 따른 네거티브 또는 포지티브 자기 리소그래피 방법을 적용하여 상기 얇은 막을 커버하기 위해 이용될 수 있다. 상기 얇은 막의 패터닝 후, 상기 막은 떨어지고, 상기 하드디스크는 재사용될 수 있다.
따라서, 일부 실시예들에서, 자기장의 인가는 자기 매체를 통해서 수행된다. 상기 방법은, 상기 자기장의 자화 방향을 제어 가능하게 변화시켜, 상기 자기 매체 상에 자기장 공간 패턴을 전기적으로 형성하는 단계; 상기 패터닝된 매체의 상부에 막을 증착하는 단계; 및 상기 막에 의해 덮여진 상기 자기 매체가 상기 자성 입자들과 상호반응하여, 상기 자기 매체의 상부에 패터닝된 막을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 자기장 공간 패턴을 전기적으로 형성하는 단계는, 소정 데이터 패턴을 상기 자기 매체 상에 자성 형상들로 변환하기 위해 컴퓨터 알고리즘(algorithm)을 적용하는 단계를 포함한다.
장치는 상기 기판 상에 형성될 상기 특정 패턴에 대응하는 자기장 공간 패턴을 형성하기 위해 자기 패턴 발생기의 동작을 제어하도록 구성되고 동작할 수 있는 제어 유닛을 포함할 수 있다. 상기 제어 유닛은 상기 자기 매체 상의 자기 프로파일 내로 소정 데이터 패턴을 전달하도록 미리 프로그래밍된 프로세서를 포함할 수 있다.
상기 마스크는, 상기 자기장 공간 패턴을 전기적으로 얻을 수 있도록 상기 자기 매체 상의 자기장의 자화 방향을 변화시키기 위하여 상기 제어 유닛에 의해 동작할 수 있는 상기 자기 소스에 의해 패터닝되는 자기 매체를 포함할 수 있다. 상기 자기 매체는 하드디스크 매체를 포함할 수 있다.
따라서 자기장 프로파일은 예를 들어, 기판에 수직으로 인가되는 영구 자기장을 이용하여 기판 상에 패터닝된다. 상기 자성 입자들은 자기장의 효과를 제거함으로써 제거된다.
예를 들어, 상기 자기 패턴 발생기는 인가되는 자기장의 공간적 분포 및 형상을 정의하는 자성 마스크(예컨대, 상자성 금속 마스크 또는 반자성 마스크)이다. 이는 자성 입자들과 상호작용할 수 있는 기판의 이격된 영역들의 패턴을 형성한다. 상기 자성 입자들은 강자성 나노입자들일 수 있다.
다음으로, 자성 (나노)입자들(NP들)은 상기 마스크(들)에 의해 유도되는 자기장에 따라 상기 기판과 상호작용하여(예컨대, 상기 마스크에 의해 유도되는 자기장에 따라 상기 기판 상에 귀속되어), 상기 기판 물질과 상기 입자들의 사이에 이격된 상호작용의 영역들의 기판의 상부 표면 상에 패턴을 형성한다. 자기장은 표면에 수직하게 자성 NP들을 제어하고 인도하는 능력을 가지는 것에 유의하여야 한다. 본 실시예에서, 상기 NP들은 상기 기판에 화학적으로 결합하지 않으나, 자기장에 의해 위치에 고정된다. 그들은 포토 레지스트가 통상의 포토 리소그래피에서 행하는 것과 동일한 역할을 제공하며, 포토 리소그래피 공정에서와 반대로, 본 발명의 ML 기술에서는, 코팅, 에너지에 대한 노출 및 레지스트의 현상은 단일-공정으로 일어난다. 공정 후에, 즉, 증착 또는 식각 후에 상기 NP들은 세정된다.
일부 실시예들에서, 패터닝된 표면의 피쳐들(즉, 분해능)은 상기 마스크의 피쳐들(즉, 분해능)을 넘어선다. 또한 상기 방법이 짧은 시간 및 낮은 자성 NP들의 농도들로 비-평형 상태에서 적용될 때, 본 발명의 방법은 상기 마스크 내의 라인들의 폭보다 더 좁은 패턴들의 폭을 제공한다. 이는 상기 마스크에 의해 정의되는 선폭 내에서 자기장의 구배에 기인한다. 상기 NP들에 가해지는 힘은 자기장의 구배 및 상기 NP들의 자기 쌍극자 모멘트에 의존하기 때문에, 기판들 상에서 상기 마스크 상의 라인들보다 더 얇은, 패터닝된 라인들을 형성하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 자성 입자들의 상기 농도-구배와 상호작용하는 영역들의 상기 패턴은, 상기 패터닝된 기판의 피쳐들이 상기 자기 패턴 발생기에 의해 형성되는 상기 자기장 특성들의 상기 패턴의 피쳐들보다 작도록, 대응하는 상기 자기장의 구배의 특성 치수보다 더 얇은 특성 치수를 갖는다. 상기 패터닝된 기판의 피쳐들은 서브-마이크론(sub-micron) 스케일일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 자성 입자들의 크기 및 대응하는 자기장은 균일한 패턴을 얻기 위해 선택된다. 상기 패턴의 균일성 및 피쳐들은 상기 자기장의 인가의 지속 시간(duration) 및 상기 자성 입자들의 농도를 적절하게 선택함으로써 제어된다.
따라서, 본 발명은, 상기 표면의 특성이 위치의 함수로서 점진적으로 변화되도록, 흡착물의 밀도의 구배를 형성하기 위해서도 제공된다. 예를 들어, 상기 표면은, 소수성 상호작용의 구배가 10 nm에서 mm의 스케일로 변화되도록, 점진적으로 소수성으로 형성된다. 이는 상기 표면 상에 자기장의 구배를 가함으로써 이루어질 수 있다. 결과로서, 상기 공정의 시간이 제어된다며, 나노입자들의 밀도의 구배가 얻어진다. 다음으로, 예를 들어, A 타입의 분자들이 상기 나노입자들의 사이에 흡착되고, 상기 나노입자들의 제거 후에, B 타입의 분자들이 현재 입자들이 없는 구역 상에 흡착된다. 결과로서, 자기장의 구배에 따라 A 및 B 분자들의 밀도에 있어서 변화가 얻어진다. 따라서, 일부 실시예들에서, 본 발명의 방법은 상기 기판의 부근에 상기 자기장의 구배를 가하는 단계; 상기 기판이 상기 자성 입자들과 상호작용하는 단계; 및 상기 자기장의 구배의 강도에 대응하는 상기 자성 입자들의 농도-구배와 상호작용하는 영역들의 상기 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
포토 리소그래피와 유사하게, 본 방법은 포지티브 또는 네거티브 방법/모드를 적용하여 이용될 수 있다. 따라서 상기 자성 입자들과 상호작용하는 영역들의 상기 패턴은 포지티브 및/또는 네거티브 리소그래피를 이용하여 상기 기판 상에 형성될 수 있다.
일부 실시예들(즉, 포지티브 모드)에서, 상기 자성 입자들은 상기 기판과의 화학적 인식 및/또는 생물학적 인식을 통해 상기 기판과 화학적으로 반응하거나 상호작용한다. 따라서, 상기 자성 입자들은 상기 마스크가 자기장을 유도하는 선택된 위치들에서 고정되며, 패터닝된 기판을 형성한다. 다른 실시예들(즉, 네거티브 모드)에서, 상기 자성 입자들은 상기 기판에 대해 불활성이며, 상기 기판 상의 상기 선택된 상호작용의 영역들을 반응제와의 반응으로부터 블록킹한다. 따라서, 특정 반응제가 상기 상호작용의 영역들 사이의 공간들 내에서 상기 기판에 더 가해질 수 있다. 이 경우, 상기 자성 입자들은 상기 기판과 화학적으로 상호작용하지 않으며, 일단 상기 기판을 패터닝하면, 상기 기판 상의 그들의 사이트들을 블록킹한다. 상기 입자들에 의해 덮이지 않은, 노출된 구역들은 상기 기판과 화학적으로 결합하는 분자들에 의해 덮여질 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 기판은 자기-조립된(self-assembled) 단일층으로 기능화(functionalizing)된다.
일부 실시예들에서, 상기 방법은 상기 기판을 반응제와 상호작용시키는 단계; 상기 자성 입자들로 하여금 상기 기판에 대한 상기 반응제의 결합을 블록킹시키는 단계; 및 상기 자기장의 효과를 제거함으로써 상기 자성 입자들을 제거하고, 네거티브 패터닝된 기판을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 자성 입자들은 상기 자기 패턴 발생기를 물리적으로 멀리 옮김으로써 제거될 수 있다. 이는 초음파 처리(sonication) 및 세정과 같은 다른 제거 방법들과 결합하여 적용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 방법은 화학적 인식 및/또는 생물학적 인식에 의해 제1 반응제가 상기 기판과 상호작용하는 단계; 상기 제1 반응제에 의해 덮여진 상기 기판이 상기 선택된 상호작용의 영역들에서 유인된 상기 자성 입자들과 상호작용하는 단계; 제2 반응제가 상기 기판과 상호작용하는 단계; 상기 자성 입자들이 상기 제1 반응제와 상기 제2 반응제의 사이의 상기 인식을 블록킹하는 단계; 및 상기 자성 입자들을 제거하고 네거티브 패터닝된 기판을 형성하는 단계를 포함한다.
다른 실시예들에서, 상기 방법은 제2 목적 패턴에 따라 그에 가해지는 자기장의 자성 변화 특성들을 제공하도록 구성되고 조작 가능한 제2 자기 패턴 발생기를 제공하는 단계; 상기 제2 자기 패턴 발생기를 통해 상기 특정 패턴을 갖는 상기 기판의 부근에 자기장을 가하여, 상기 기판의 상부에 자기장의 제2 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 자기장의 인가 하에서, 상기 자성 입자들이 상기 기판과 상호작용하는 단계를 포함하고, 상기 입자들은 상기 제2 목적 자성 패턴에 의해 정의된 제2 선택된 상호작용의 영역들에 유인되고, 상기 특정 패턴으로 상기 기판의 상부의 상기 입자들과 상호작용하는 이격된 영역들의 제2 패턴을 형성한다.
본 발명에 따르면, 이격된 상호작용의 영역들의 상기 패턴의 형성은 상기 마스크와 상기 기판 사이의 어떠한 물리적 접촉도 요구하지 않으며, 상기 기판 상에 어떠한 표면 양각(relief)도 형성하지 않는다. 상기 마스크는 비평면의 표면을 가질 수 있다. 상기 상호작용 패턴을 형성하는 상기 자기장 패턴은 상기 기판의 부근에 가해진다. 상기 상호작용 패턴은 가스(공기) 또는 용액일 수 있는 매체 내에서 상기 기판에 가해질 수 있다. 상기 기판은 자성 입자들 및/또는 하나 이상의 반응제들을 포함하는 용액 내에 침지(immersing)될 수 있다.
본 발명은 서브-마이크론 분해능으로 표면들을 화학적으로 패터닝하게 할 수 있다. 본 발명의 자기-리소그래피(ML) 방법은, 상기 기판을 오염시킬 수 있는 레지스트를 필요로 하지 않기 때문에, 화학적 표면 패터닝을 단순화하며, 따라서 표면 오염 문제들 또는 상기 용액으로부터 상기 기판을 제거해야하는 필요 없이, 큰 표면들의 빠른 패터닝을 가능하게 한다. 또한, 본 발명의 ML 방법은 표면 지형(topography) 및 평면성(planarity)에 의존하지 않으며(즉, 표면들의 지형 또는 평면성에 의해 영향받지 않으며), 따라서 거친 표면들 상에 수행될 수 있으며, 아래에서 상세히 설명할 바와 같이 튜브들 내측의 화학적 패터닝을 가능하게 한다.
본 발명의 기술에 따르면, 자성 입자들도 자성 마스크도 기판 상에 흡착될 물질의 일부가 아니며, 기판의 일부가 아니다. 또한, 본 발명은, 튜브의 내측 표면의 패터닝과 같이, 화학적 리소그래피 및 포토 리소그래피의 물질 증착/제거 공정들에 의해 (쉽게) 도달 가능하지 않은 표면들을 패터닝하기 위해 제공된다. 상기 기판은 비평면의 표면, 특히 튜브일 수 있고, 상기 입자들은 상기 목적 패턴에 의해 정의된 상기 튜브의 내측 표면 상의 선택된 상호작용의 영역들에 유인되어, 상기 기판의 상기 내측 표면에 상기 입자들과 상호작용하는 영역들의 패턴을 형성한다. 자성 마스크가 적용되기 때문에, 높은 제조 수율을 얻는 것이 가능하다. 다른 리소그래피 방법들과 달리, 본 방법은 배면 리소그래피로서도 적용될 수 있으며, 층들의 수에 관계없이, 다층들을 높은 정확도의 정렬과 모든 층들에 대해 동일한 효율로 쉽게 제조할 수 있는 이점을 갖는다. 또한, 본 방법은 용액으로부터 기판을 제거하지 않고 다단계(multi-step) 공정의 형성이 가능하다. 이러한 특징은 반응제들이 제어된 조건들에서 유지되어야할 경우, 바이오-관련된 응용들에서 이롭다. 반응제는 따라서 바이오-분자들을 포함할 수 있다. 따라서, 포지티브 및 네거티브 ML은 작거나 큰 분자들로 또는 화학적 환경에 민감한 바이오-분자들로 패터닝하기 위한 광범위한 표면들에 적용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 마스크는 반자성 라인들로 패터닝될 수 있으며, 이는 외부적으로 가해지는 자기장의 반대로 자기장을 형성한다. 상기 마스크는 기판 상에 요구되는 자기장을 형성하기 위하여 반자성 및 상자성 라인들을 모두 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 튜브의 내측을 화학적으로 패터닝하기 위해 이롭게 제공된다. 이는 상기 튜브가, 통과하여 흐르는 특정 반응제의 분자들이 자성 입자들에 의해 덮여진 영역들 내에서 내측 표면과 순차적으로 반응할 수 있는, 순차적인 반응기처럼 동작하도록 한다. 이를 위하여, 상기 자성 입자들이 상기 표면 영역에 유인되도록 유지하는 자기장은 상기 튜브의 연속적인 영역들에 순차적으로 가해진다.
마이크로-전자 소자들의 제조 방법도 제공되며, 이는 상술한 방법; 상기 입자들과 상호작용하는 영역들의 상기 패턴을 식각 마스크로서 이용하며, 상기 기판을 식각기 내에 특정 시간동안 위치시키는 단계; 및 상기 자기장의 효과를 제거함으로써 상기 자성 입자들을 제거하여, 식각된 영역들의 패턴을 형성하는 단계를 포함한다. 식각된 영역들의 상기 패턴은, 상기 기판 상의 상기 패턴의 피쳐 사이즈가 상기 자기 패턴 발생기에 의해 형성되는 상기 패턴의 피쳐 사이즈보다 작도록, 대응하는 상기 자기장의 구배의 특성 치수보다 더 얇은 특성 치수를 갖는다.
또한, 본 발명은 두 개의 성분들, 마이크로-채널 및 반응 구획(compartment)들의 제3 타입의 성분, 튜브 반응기로의 단일화를 가능하게 하며, 이는 두 개의 특성들을 결합한다. 이는 자기-리소그래피(ML) 방법을 이용하여 이루어질 수 있으며, 마이크로-채널 튜브의 내측의 화학적 패터닝을 가능하게 한다. 따라서, 본 발명은 특히, LOC를 위한 효율적인 반응기들로서 작은 지름을 갖는 튜브들을 이용하는 경우, 내측 튜브 표면들의 화학적 및 생화학적 패터닝을 가능하게 한다. LOC 기능들은 마이크로-채널 내에서 수행될 수 있으며, 따라서 제조 시간을 감소시키고 처리되어야하는 물질의 양을 감소시킨다. 새로운 성분(즉, 튜브 반응기)은 매우 간단하고 저비용의 기술을 적용함으로써 순차적인 공정들을 수행하는 것을 가능하게 한다. 상기 튜브의 내측을 효소들 또는 반응제들로 패터닝함으로써, 상기 튜브는 용액 내의 기판이 튜브의 내측 표면 상에 미리 흡착되었던 분자들과 반응하는 반응기로서 및 이송 성분(transport element)으로서 모두 이용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 방법은 상기 기판의 연속적인 영역들에 순차적으로 상기 자기장을 가하는 단계를 포함한다.
다른 실시예들에서, 전도성 와이어들의 어레이가 마스크로서 이용될 수 있다. 전류가 상기 와이어들을 통해 흐를 때, 자기장이 그 부근에 형성된다. 전류 흐름을 순차적으로 스위칭함으로써, 상기 마스크의 다른 영역들에 한 단계씩 입자들을 흡착시키는 것이 가능하다. 이는 상기 와이어들을 통한 전류의 흐름에 의해 유도되는 자기장이 충분하기 때문에 자기장의 인가를 필요로 하지 않거나, 상기 와이어들을 통한 전류의 흐름을 통해 추가적인 자기장을 인가함으로써 자기장이 교착(alternating)되도록 영구 자기장과 결합하여 사용할 수 있는, 소위 “동적(dynamic) 마스크”이다. 본 발명의 방법은 순차적인 패터닝을 유도하는 상기 자기장을 스위칭하도록, 상기 와이어들에 전류 흐름을 순차적으로 스위칭하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 분리된 공정들 또는 결합된 공정들과 같은 화학적 패터닝 응용들뿐 아니라, 마이크로전자 소자들의 고-분해능, 고-수욜 제조에 적용될 단일 패터닝 방법을 제공하려는 요구가 기술 분야에 있다. 모든 타입의 표면 패터닝에 대해 동일한 방법을 사용하는 능력은 전자와 화학/바이오-인식 공정들을 결합한 응용들에 관련된 제조 공정들을 단순화한다.
본 발명의 ML 방법은 식각 및 증착 및/또는 이온 주입 공정들과 같은 통상의 마이크로전자 공정들에 적용될 수 있다.
3-차원 마스크들을 적용함으로써, 고-밀도 패터닝된 표면들을 얻는 것이 가능하고, 다양한 파라미터들의 조정을 교정하는 것이 가능하며, 10 nm 이하 지름의 자성 입자들을 통상의 포토 리소그래피 방법들로 가능한 것과 유사하거나 심지어 더 작은 임계 치수를 제공할 수 있는 강한 자기장과 사용하는 것이 가능하다. 따라서 상기 방법은, 현재의 임계 크기들보다 더 작은 크기의 마이크로전자 소자들의 형성(광학-리소그래피의 파라미터들에 의해 제한되지 않고), 및 100 nm 이하의 분해능을 갖는 표면들의 화학적 및/또는 바이오 물질 패터닝을 가능하게 한다. 순차적인 공정들이 이용될 수 있고, 이는 비평면의 표면들에 적용될 수 있다.
본 발명의 ML 기술은 자기-계 리소그래피 방법들에 대해 이미 보고된 것과 같이, 자성 소자들의 제조에 한정되지 않음을 유의하여야 한다[10].
본 발명은 넓은 실시예들의 하나로서, 상술한 방법에 의해 제조된 패터닝된 구조물도 제공한다. 본 발명의 다른 넓은 실시예에 따라, 기판을 패터닝하는 장치가 제공된다. 상기 장치는 자기장을 형성하기 위한 자기 소스; 및 기판 상에 형성될 특정 패턴에 대응하는 목적 패턴에 따라 자기장에 자성 변화 특성들을 제공하기 위해 상기 자기장을 조정하도록 구성되는 적어도 하나의 자기 패턴 발생기를 포함한다.
일부 실시예들에서, 상기 자기 소스는 다중-페그(multi-peg) 자석 또는 튜브인 기판을 둘러싼 자석이다. 상기 튜브는 튜브 반응기로서 구성되고 동작되어, 상기 튜브 반응기 내에서 순차적인 반응들을 수행할 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 발명은 공간적으로 국부화된 영역들 내의 용액 반응에서 반응을 촉진하기 위하여 패터닝된 기판을 이용하는 능력을 제공한다. 제1 반응제는 촉매를 포함할 수 있고, 상기 촉매의 패터닝된 영역들을 형성하여 공간적으로 국부화된 영역들에서 적어도 하나의 화학 반응을 촉진하기 위하여 상기 패터닝된 기판을 이용한다. 상기 촉매는 상기 화학 반응이 효소(enzyme) 반응이 되도록 효소들을 포함할 수 있다. 상기 제1 반응제는 제1 효소를 포함할 수 있고, 상기 제2 반응제는 제2 효소를 포함할 수 있으며, 따라서 순차적인 효소 반응들을 유도한다. 특히, 본 발명의 ML 방법을 이용함으로써, 100 nm 이하의 분해능으로 표면 상의 소정 스팟에서 단백질을 국부화하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 촉매의 상기 패터닝된 영역들은 소정 스팟을 포함할 수 있다. 이는 친수성 단일층으로 덮인 평평한 금 표면 상으로의 소수성 단일층들의 라인의 자기-조립에 대해 네거티브 ML을 이용함으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 자기 리소그래피(ML) 방법은 배면 리소그래피 기술로, 높은 정확도의 정렬과 모든 층들에 대한 동일한 효율로 다층물들을 용이하게 제조하는 이점을 갖는다.
본 발명을 이해하고 실제로 어떻게 수행되는지 알기 위하여, 예를 한정하지 않는 방식으로, 첨부된 도면들을 참조로 실시예들이 설명될 것이다.
도 1a는 본 발명의 자기 패터닝 방법의 일반적인 개략도이다.
도 1b는 포지티브(positive) 및 네거티브(negative) 방법들에 대한 본 발명의 자기-리소그래피(ML) 방법의 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 자기-리소그래피(ML) 방법에서 이용되는, 라인들 사이에 20 ㎛ 스페이스를 갖는 라인-패터닝된 마스크를 도시한다.
도 2b 내지 도 2e는 도 2a의 라인-패터닝된 마스크를 이용하여, 자기 정렬된 단일층의 1-4 벤젠디메탄티올로 기능화된 금-코팅된 유리 기판들 상의 포지티브 ML 패턴의 SEM 사진들을 도시한다.
도 2f는 본 발명의 자기-리소그래피(ML) 방법에서 이용되는, 라인들 사이에 20 ㎛ 스페이스를 갖는 그리드-패터닝된 마스크를 도시한다.
도 2g 내지 도 2h는 도 2f의 그리드-패터닝된 마스크를 이용하여, 자기 정렬된 단일층의 1-4 벤젠디메탄티올로 기능화된 금-코팅된 유리 기판들 상의 포지티브 ML 패턴의 SEM 사진들을 도시한다.
도 3은 철 링 마스크를 이용한 유리 표면 상의 비오틴-아비딘 단일층의 조립에 대한, 본 발명의 교시들에 따른 네거티브 ML 방법을 설명하는 개략도이다.
도 4a는 도 3의 네거티브 ML 방법을 이용하여, 유리 기판 상에 흡착된 Av-FITC 분자들의 형광을 도시하며, 동심의 검은 링 패턴들은 자성 NP들이 블록킹된 영역들이다.
도 4b는 도 3의 네거티브 ML 방법을 이용하여, 자기장 없이 기판을 Av-FITC에 노출시킨 후, 외측 링 패턴의 소멸에 따른 형광을 도시한다.
도 4c는 도 4a 및 도 4b에 도시된 점선들을 따른 형광 세기 프로파일을 나타낸다.
도 5는 소수성/친수성 단일층들에 의해 금-코팅된 실리콘의 패터닝에 대한 본 발명의 네거티브 모드의 ML 방법의 개략도이다.
도 6은 단일층으로 덮인 기판들이 GFP 용액에 침지된 후, 물 방울들로 측정된 후진 접촉각(receding contact angle, CA)들과 GFP로부터 측정된 510 nm에서의 형광 세기 사이의 비교를 도시하는 그래프이다.
도 7a 내지 도 7d는 GFP에 노출된 후, 패터닝된 표면의 SEM 사진들이다. 특히, 도 7a는 50 ㎍ ml-1의 자성 NP들이 흡착되고, 자기장에 2분간 노출된 후에 얻어졌다. 도 7b는 5 ㎍ ml-1의 자성 NP들이 흡착되고, 자기장에 2분간 노출된 후에 얻어졌다. 도 7c는 GFP의 균일한 30 nm 선폭 패턴의 SEM 사진이고, 도 7d는 도 7c에 나타난 라인의 3-차원 사진이다.
도 8a 및 도 8b는 마스크로부터의 거리의 함수로서 상기 마스크 상의 자기장의 시뮬레이션 결과들을 도시한다. 도 8a는 마스크 상의 패턴의 선폭의 1.5, 3.5 및 7.5배에 해당하는 거리에서 자성 마스크 선폭의 상부에서 자기장의 분포를 도시한다. 도 8b는 마스크 상의 패턴의 선폭의 1.5, 3.5 및 7.5배에 해당하는 거리에서 가장 강한 세기의 자기장을 가지는 사이트들을 도시하는 그래프이다.
도 9는 식각 및 증착 공정들을 포함하는 본 발명의 ML 방법의 개략도이다.
도 10a는 식각을 위해 사용되는 100 nm의 두꺼운 코발트막으로 완전히 덮인 3-차원 마스크의 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM) 사진이다. 도 10b 내지 도 10d는 다양한 배율들에서의, 식각 공정에 의해 형성되는 패턴들의 SEM 사진들이다.
도 11a는 자기장 분포를 정의하기 위해 사용되는 상자성의 10 nm의 두꺼운 코발트 라인들이 있는 평평한 마스크의 SEM 사진이다. 도 11b 및 도 11c는, 다양한 배율들에서의, 식각 공정에 의해 얻어진 패턴들의 SEM 사진들이다.
도 12a 내지 도 12d는 기판을 다른 농도들에서 나노입자들의 용액들에 5분간 노출한 후, 식각 공정에 의해 얻어진 패턴들의 SEM 사진들이다.
도 13a 내지 도 13e는 본 발명의 방법을 이용하여, 50 nm Cr을 증착한 후 얻어지는 SEM 사진들이다. 특히, 도 13a는 자성 나노입자들로 기판을 패터닝하기 위해 사용되는 마스크의 SEM 사진이다. 도 13b는 마스크에 의해 유도된 자기장에 따라 기판 상으로 자성 나노입자들이 조립된 후의 자성 나노입자들의 SEM 사진이다. 도 13c는 도 13b에 점선 원으로 표시된 하나의 사이트 상에 조립된 나노입자들의 SEM 사진이다. 도 13d 및 도 13e는 나노입자들이 제거된 리프트-오프(lift-off) 공정에 따른 결과적인 구조물의 SEM 사진들이다.
도 14a 내지 도 14d는 자기 패턴 발생기로서 하드디스크 매체의 사용을 도시하는 사진들이다. 특히, 도 14a는 금 기판 상의 패턴의 광학 현미경 사진이다. 도 14b는 금 기판 상의 동일한 패턴의 SEM 사진이다. 도 14c 및 도 14d는 고분해능 패터닝을 갖는 동일한 패턴의 SEM 사진들이다.
도 15a는 본 발명의 교시들에 따른 포지티브 ML의 적용에 의한 내측 튜브 표면의 패터닝을 설명하는 흐름도이다. 도 15b는 도 15a의 포지티브 ML 공정에 의해 패터닝된 튜브 내에 흡착된 나노입자들의 두 개의 밴드들로부터 관찰되는 플루오레세인 및 술포로다민 모두의 형광을 보여주는 사진이다.
도 16a는 본 발명의 교시들에 따른 네거티브 ML의 적용에 의한 튜브의 내측 표면의 점진적인 표면 패터닝을 설명하는 흐름도이다. 도 16b는 도 16a의 네거티브 ML 공정에 의해 패터닝된 튜브로부터 관찰되는 형광 사진이다.
도 17a는 튜브 내에 ML을 적용하기 위한 다중-페그 자석을 설명하는 개략도이다. 도 17b는 네거티브 ML을 이용함으로써 효소 우레아제로 패터닝된 도 17a의 튜브를 도시한다. 도 17c는 지시작의 색상의 변화로부터 얻어지는 것과 같은 튜브를 따른 pH의 변화를 도시한다.
도 18a는 튜브의 내측 표면 상에 단백질의 포도당 산화효소(proteins glucose oxidase, GOx) 및 겨자무 과산화효소(horseradish peroxidase, HRP)를 패터닝함으로써 얻어지는 튜브 내의 순차적인 효소 반응들의 개략도이다. 도 18b는 검은 스팟들로 나타나는 순차적인 반응으로부터 발생하는, 테트라메틸-벤지딘(tetramethyl-benzidine, TMB)을 산화시킨 참가(participate)의 사진이다.
도 1a는 기판을 패터닝하기 위한 본 발명의 장치를 예시한다. 장치(1000)는 자기장을 형성하기 위한 자기장 소스(100A), 및 도면에 도시된 단일 발생기(100B)와 같은 하나 이상의 자기 패턴 발생기들을 포함한다. 자기 패턴 발생기(100B)는 목적하는 패턴에 따라 자기장의 자기 변화 특성들을 제공하도록 자기장을 적절하게 조정하도록 구성된다. 자기 패턴 발생기(100B)는 물리적 요소들, 즉 정적(static) 마스크(예컨대, 자성 마스크, 또는 미리 패터닝된 하드 마스크 매체) 또는 자기장 프로파일의 변화를 유도하는 전기 변조기(modulator), 즉 소위 "동적(dynamic)" 또는 "가상(virtual)" 마스크에 의해 구성되거나 포함할 수 있다. 따라서, 전기장 소스(100A) 및 자기 패턴 발생기(100B)는 기판 상에 얻어질 특정 패턴에 대응하는 요구되는 패턴에 따라 조정되는 자기장을 발생하기 위하여 함께 동작한다.
또한 바람직하게는 제어 유닛(100C)이 장치(1000) 내에 제공된다. 제어 유닛(100C)은 통상적으로 그 중에서도 입/출력 유틸리티들, 데이터 프로세싱 및 분석 유틸리티, 및 메모리 유틸리티를 포함하는 컴퓨터 시스템이다. 예를 들어, 동적 또는 가상 마스크의 경우에, 상기 제어 유닛(즉, 그 프로세서)은 기판, 예컨대 자기 매체(예컨대 미리 패터닝된 하드 디스크 매체) 상의 중개(intermediate) 패턴 상에 증착된 막, 상에 특정 패턴(형상)을 형성하는 자기장 프로파일 내에 소정 데이터 패턴(메모리 유틸리티에 저장된)을 전달하도록 동작한다.
도 1b는 본 발명의 포지티브 및 네거티브 ML 공정들 모두에 대한 제한적이지 않은 특정 예를 도시한다. 기술은 다음과 같이 수행된다:
1 단계에서, 자기장 패턴이 "화학적으로 패터닝"될 기판(102)의 부근에 형성된다. 본 예에서, 이는 기판(102)의 배면, 즉 패터닝될 표면에 대향하는 표면에 놓인 자성 마스크(100)를 이용하여 수행된다. 상기 마스크는 상술한 바와 같이 상호작용의 영역들의 패턴을 따라 구성된다. 마스크(100) 아래에 놓인 자석(104)(예컨대, 영구)에 의해 발생된 자기장은, 가해지는 자기장의 형상 및 공간적인 분포를 정의하는 마스크(100)를 통해서 기판(102)에 가해진다. 따라서, 마스크(100)는 상기 마스크의 패턴을 통하여 기판(102)을 향하는 자기장을 유도한다. 2 단계에서, 강자성 나노입자(nanoparticle, NP)들(106)은 마스크(100)에 의해 정의되는 자기장에 따라 기판(102)과 상호작용한다. 본 예에서, 이러한 상호작용은 기판(102) 상에 입자들의 증착을 통해 이루어진다.
포지티브 방법(4 단계)에서, 강자성 NP들(106)은 화학적으로 반응하거나 또는 기판(102)과 화학적 인식을 통해 상호작용한다. 따라서, 포지티브 방법(4 단계)에서, 강자성 NP들(106)은 마스크(100)가 자기장을 유도하여 패터닝된 기판을 가져오는, 선택된 위치들(상호작용의 영역들)에서만 고정된다.
네거티브 방법(3, 5 단계들)에서, 강자성 NP들(106)은 기판(102)에 대해 불활성(inert)이다. 따라서, 한번 기판(102)에 증착되면, NP들(106)은, 3 단계에 도시된 바와 같이, 기판(102) 상의 결합 사이트가 다른 반응제(108)들과 반응하는 것을 블록킹한다. 반응제(108)의 흡착 후, NP들(106)은 제거되고(5 단계), 네거티브로 패터닝된 기판(102)이 형성된다.
상기 자성 입자들과 상기 기판 사이의 상호작용은 자기장의 효과가 제거된 후에 차단됨을 유의하여야 한다. 이는 상기 자성 마스크를 상기 기판으로부터 물리적으로 이동함으로써(예컨대, 상기 마스크 영역들이 강자성(ferromagnetic)인 경우), 또는 고정 마운팅된 마스크를 통해 가해진 자기장을 끔으로써(예컨대, 상기 마스크 영역들이 상자성(paramagnetic)인 경우) 수행될 수 있다.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 교시들을 이용한 포지티브 ML 패터닝의 제한적이지 않은 특정 예를 도시하며, 자기 정렬된 단일층의 디티올들(1-4 벤젠디메탄티올(1-4 Benzendimethanethiol))로 기능화된 금-코팅된 유리 기판들이 사용되었다. 코발트 마스크들이 상기 기판의 자기장 패터닝을 위해 제조되었다. 코발트 초결정(supercrystal)들을 생성하기 위하여, 코발트 나노입자(NP)들의 조립은 자기장에 의해 유도될 수 있음을 유의하여야 한다[3]. 두 개의 마스크들이 사용되었다: 하나는 라인들로(도 2a) 다른 하나는 그리드(grid)로(도 2f) 패터닝 되었고, 모두 라인들 사이에 20 ㎛ 스페이스를 갖는다. 100G의 자기장이 영구 자석에 의해 상기 코발트 마스크를 통해 유도되었으며, 상기 기판은 FeO4 NP들(10 nm 지름)의 용액에 15분간 침지되었다. 다음으로 상기 마스크는 제거되고 상기 기판은 세정되었다. FeO4 NP들은 표면에 노출된 티올기와 반응하므로, 포지티브 ML의 결과는 상기 기판 상에 상기 마스크 패턴을 복사한 것이 된다. 자기장과의 상호작용으로 인하여, 상기 NP들은 선택적으로 상기 자기장이 가장 큰 표면 사이트들에 유인되고 상기 위치들에서 단일층의 티올 작용기들과 반응한다. 도면들은 20 ㎛의 스페이스를 갖는 1-5 ㎛ 너비의 라인들을 도시한다. 증착 시간을 신중하게 조정함으로써, 상기 라인들의 너비보다 좁은 너비를 갖는 패턴들이 얻어질 수 있음이 이해될 것이다. 이는 상기 마스크에 의해 정의되는 선폭 내에서 자기장의 구배에 기인한다. 자기장은 가장자리들에서보다 중심부에서 더 강하다. 결과적으로, 상기 NP들은 먼저 상기 라인의 중심부에 조직화된다.
본 발명의 네거티브 ML 방법은 몇가지 방법들로 실시될 수 있다. 예를 들어, 자성 NP들은 유리 표면에 대한 비오틴(biotin) 분자들의 결합에 의해 블로킹될 수 있으며, 또는, 대안적으로, 비오틴 단일층의 흡착이 기판에 대하여 자성 NP들에 의해 블록킹될 수 있고, 다음으로 상기 자성 NP들이 비오틴-아비딘(avidin) 바이오-인식(bio-recognition) 공정을 블록킹하는데 이용될 수 있다.
도 3은 유리 기판(102)이 트리메톡시아미노실란(trimethoxyaminosilane)(105) 및 FeO4 NP들(106)을 포함한 용액 내에서 링-모양 패터닝된 자성 마스크(100)에 노출된 네거티브 ML 방법을 예시한다. 1 단계에서, 자성 NP들(106)은 자기장이 더 강한 사이트들에 유인되며 상기 위치들(즉, 상호작용의 영역들)이 상기 용액 내에서 아미노실란(105)과 반응하지 않도록 보호한다. FeO4 NP들(106)은 유리 기판에 대하여 불활성이며, 따라서 상기 기판에 대한 트리메톡시아미노실란의 화학적 흡착보다 더 빠르게 자기장에 의해 상기 기판의 선택된 영역들에 유인된다. 따라서, 본 예에서 상기 용액 내에 트리메톡시아미노실란 및 FeO4 NP들의 혼합물을 제공하는 것이 가능하다. 따라서, 불활성 FeO4 NP들(106)은 링-패터닝된 마스크에 의해 가해지는 자기장에 따라 유리 기판(102) 상에 조직화된다. 상기 공정은 NP들(106)로 덮이지 않았던 표면의 위치들의 선택적인 실란화를 가져온다. 자성 NP들(106)은 베어(bare) 유리 표면에 대해 불활성이므로, 상기 자성 마스크/자기장(2 단계)가 제거된 후, 상기 표면으로부터 제거될 수 있다(예컨대, 세정 또는 공기 흐름(air flow)에 의해). 다음 단계(3 단계)에서, 상기 기판은 아미노기 패터닝된 표면과 반응하는 NHS-비오틴(107)(N-하이드록시-석신이미드-비오틴)(N-hydroxy-succinimide-biotin)으로 비오틴화되었다.
다중 패터닝 단계들에서 본 발명의 방법의 성공을 증명하기 위하여, 준비된 비오틴화된 유리 표면은 링 패턴을 갖는 제2 자성 마스크(100')에 노출되었다. 제2 링-형성 패터닝된 자성 마스크(100')는 앞의 링-형성 마스크(100)과 동심이며 더 크다. 다음으로 기판(102)은 형광단이 달린 아비딘(fluorophore-labeled avidin, Av-FITC)(110) 및 자성 NP들(106)의 용액에 노출되었다(4 단계). 다시, 자성 NP들(106)은 상기 링-패터닝된 마스크에 의해 인가된 자기장에 의해 유인되어, 링과 같이 조립되었다. 따라서, NP들(106) 아래의 비오틴기들(107)은 보호되고 Av-FITC(110)와 상호작용하지 않았다. 본 네거티브 ML 공정의 결과물은 두 개의 동심 링들을 갖는 패터닝된 표면이다. 내측 링은 분자들과 상기 기판 사이의 반응이 방지되고, 외측 링은 이미 흡착된 분자들과 상기 용액 내의 분자들 사이의 상호작용이 방지된, 네거티브 ML을 나타낸다. 자성 마스크(100')의 제거가 자성 NP들이 상기 링 사이트들을 떠나도록 하기 때문에, 제2 네거티브 ML 공정은 가역적이다(5 단계). 따라서, 상기 사이트들에서 비오틴기들(107)은 보호되지 않게 되고, 상기 용액 내의 Av-FITC 분자들(110)은 비오틴기들(107)과 상호작용할 수 있다(6 단계). 그러나, 네거티브 ML이 상기 유리 기판 상에 직접적으로 흡착하는 중에 수행되는 경우에는 그렇지 않다.
도 4a는 도 3에 도시된 네거티브 ML 방법에서 유리 기판 상에 흡착된 Av-FITC 분자들의 형광을 도시하며, 동심의 검은 링 패턴들은 상기 자성 NP들이 블록킹된 위치들이다. 내측 링은 상기 유리 표면에 대한 비오틴 분자들의 결합을 블록킹하는 자성 NP들에 의해 형성되었고, 외측 링은 비오틴-아비딘 생물-인식 공정을 블록킹하는 상기 자성 NP들에 의해 형성되었다.
도 4b는 자기장 없이 상기 기판을 Av-FITC에 노출시킨 후, 외측 링 패턴의 소멸에 따른 형광을 도시한다.
도 4c는 도 4a 및 도 4b에 도시된 점선들을 따른 형광 세기 프로파일을 도시한다. (a)에서 상기 점선을 따른 세기 프로파일이 선(200)으로 표시된다. 구역(202)은 자기장 없이 상기 기판을 Av-FITC에 노출시킨 결과로서 외측 링이 소멸된 후의 (b)에서 점선을 따른 세기 프로파일을 나타낸다. 패턴(상기 점선)을 따른 형광 세기 프로파일은 상기 내측 링 패턴에서 나타난 것과 같이 네거티브 ML 공정의 비가역적인 특성을 나타내며, 이는 자성 마스크가 없이 Av-FITC로 처리된 후에도 검게 남는다. 상기 내측 링은 Av-FITC의 무시할만한 비특이적 흡착을 보여주며, 네거티브 ML에 의해 초래된 상기 구역에서의 비오틴기들의 결핍을 증명한다. 반면에 자기장이 없이, 상기 기판이 Av-FITC에 노출된 후, 상기 외측 링 패턴은 사라진다. 이는 자기장의 제거 후에, 상기 NP들의 제거에 의해, 선-흡착 분자들이 보호되지 않았고, Av-FITC와 결합할 수 있었기 때문이다. 따라서, 본 공정은 가역적이다.
도 5는 본 발명의 네거티브 모드의 ML 방법을 이용하여 소수성/친수성(hydrophobic/hydrophilic) 단일층들에 의한 금-코팅된 실리콘 기판들의 패터닝을 도시한다. 소수성 분자들의 라인들은 친수성 분자들로 덮여진 표면 상에 패터닝되었다. 다음으로 상기 표면은 GFP에 노출되고 세정되었다. 200 nm 두께의 금 기판들의 시리즈들은 소수성/친수성 시약들의 혼합물로 구성된 자기-조립된 단일층들에 의해 덮였다. 상기 소수성/친수성 시약들의 다른 몰분율들은 상기 금 기판들의 소수성을 점진적으로 변화시키는 데 이용되었다.
자기장 패턴은 기판(102)의 배면, 즉 패터닝될 표면에 대향하는 표면에 위치하는 자성 마스크(100)를 이용하여 기판(102)의 부근에 형성된다. 마스크(100) 아래에 놓인 영구 자석(104)에 의해 생성되는 자기장은 가해지는 자기장의 형상 및 공간적인 분포를 정의하는 마스크(100)를 통해서 기판(102)에 가해진다. 따라서, 마스크(100)는 상기 마스크의 패턴을 통하여 기판(102)을 향하는 자기장을 유도한다. 1 단계에서, 불활성 강자성 나노입자(NP)들(106)(예컨대, 톨루엔에 용해된 10 nm 지름의 Fe3O4)은 마스크(100)에 의해 정의되는 상기 자기장에 따라, 금 기판(102)(예컨대, 전자-빔 증발기(e-beam evaporator)에 의해 200 nm의 고품질 금 막으로 덮인 실리콘 기판(300 ㎛ 두께))에 유인된다. 본 예에서, 이러한 상호작용은 기판(102) 상의 입자들의 증착을 통해 이루어진다. 다음으로, 수산기(hydroxyl) 헤드 그룹, 11-메르캅토-1-운데칸올(11-mercapto-1-undecanol)(HMUD=HS-CnOH)을 갖는 친수성 반응제/시약(150)이 상기 기판 상에 상기 NP들에 의해 덮이지 않은 곳들에서 자기-조립된다(2 단계). NP들(106)은 기판(102) 상의 결합 사이트을 친수성 반응제(150)와 반응으로부터 블록킹한다. 3 단계에서, 친수성 반응제(150)의 흡착 후에, 자성 마스크(100)는 제거되고, 기판(102)은 자성 NP들(106)을 제거하기 위해 초음파 처리되고 세정된다. 후속으로, 4 단계에서, 소수성 반응제(152), 헥사데칸티올(hexadecanethiol)(HDT=SH-C15CH3)이 기판(102) 상의 NP들(106)에 의해 미리 덮인 구역들에서 흡착된다. 제한하지 않는 특정 예에서, HDT 및 11MUD 분자들 모두는 에탄올 내에 용해되며(10 mM 용액), 흡착 시간은 실온에서 3 시간이다. 소수성 반응제의 패터닝을 검증하는 데, 녹색 형광 단백질(green fluorescent protein, GFP)이 친수성 표면들보다 소수성 표면들과 더 강하게 상호작용하는지 검증하기 위한 GFP가 사용되었다. 마지막 단계(5 단계)에서 상기 표면은 소수성 라인들(152) 상에 흡착된 GFP(154)에 노출되었고 친수성 바탕(150)으로부터 밀어내어졌다.
도 6은 단일층으로 덮인 기판들이 10-nM GFP 용액에 30분간 침지된 후, 물 방울들로 측정된 후진 접촉각(receding contact angle, CA)들 및 GFP로부터 측정된 510 nm에서의 형광 세기를 비교하여 도시한다. 도면에 도시된 것과 같이, 0.2 HDT의 몰분율에서 상기 접촉각이 급격히 증가한다. 이러한 변화 후에, 상기 CA는 일정하게 유지된다. 이러한 접촉각에서의 계단형 변화는 각각의 분자들이 하나의 유형의 분자들만을 포함하는 도메인(domain)을 형성하는 상분리(phase separation)를 나타낸다. 상기 물 방울들은 넓은 구역 상에서 평균화되고, 따라서 소수성 도메인들에 의해 영향을 받는다: 따라서, 친수성/소수성 혼합물들로부터 형성된 단일층들의 경우에서 큰 접촉각들을 갖는다. GFP로부터의 형광을 모니터링하는 것은 표면 상의 GFP의 양이 HDT의 몰분율과 선형적 관계를 가짐을 보여준다. 이러한 발견은 또한 각 분자에 대한 분리된 도메인들의 형성과 일치된다. 상기 GFP는 소수성 도메인들 상에 더 잘 흡착되며, 따라서 농도가 증가함에 따라 더 많은 GFP가 흡착되고 더 높은 형광이 관찰된다. 따라서, GFP는 나노미터 스케일에서 소수성 패턴들의 감지를 효과적으로 제공한다.
도 7a 내지 도 7d는 도 5와 관련하여 설명된 공정에서, GFP에 노출된 후 형성되는 패터닝된 표면의 SEM 사진들이다. 상기 GFP는 단백질들의 SEM 사진들에 대해 이미 보고된 바와 같이, 밝은 라인으로 나타난다. 도 7a에서, 자기장에 2분간 노출되었던 고농도(50 ㎍ ml-1)의 자성 NP들이 흡착된 후 저-분해능(1 ㎛ 너비보다 큰) 라인이 얻어졌다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 자성 NP들의 묽은(5 ㎍ ml-1) 용액이 사용되고 자기장에 다시 2분간 노출된 경우, 약 30 nm의 폭을 갖는 더 얇은 라인이 얻어졌다. 단백질은 소수성 라인들 상에 흡착되고 친수성 바탕으로부터 밀어내어 진다.
도 7c는 GFP의 균일한 30 nm 선폭 패턴의 SEM 사진이고, 도 7d는 도 7c에 나타난 라인의 3-차원 사진이다.
자기장을 유도하는 자성 마스크(100)에서 라인들은 50 ㎛의 폭을 가진다는 사실에도 불구하고, 30 nm 분자 패터닝이 이루어짐이 이해될 것이다. 더 높은 분해능은, 도 7a 및 도 7b에 나타난 것과 같이 상기 NP들의 농도를 감소시키거나, 또는 흡착 시간을 줄여, 시스템이 평형에 도달하지 못하게 함으로써 얻어졌다. 상기 조건들 하에서, 상기 NP들은 고 자기장 부분, 즉 자성 라인의 중심부에만 먼저 흡착된다. 이는 도 8a 및 도 8b와 관련하여 아래에 더욱 상세히 설명될 바와 같이, 상기 마스크에 의해 정의되는 선폭 내에서, 자기장의 구배가 상기 마스크 라인들의 가장자리들에서보다 상기 중심부에서 더 강하기 때문이다.
도 8a 및 도 8b는 마스크로부터의 거리의 함수로서 상기 마스크 상의 자기장의 시뮬레이션 결과들을 도시한다. 마스크 상에서 자기장의 분포는 COMSOL 프로그램을 이용하여 계산된다. 도 8a는 마스크 상의 패턴의 선폭의 1.5, 3.5 및 7.5배에 해당하는 거리에서 자성 마스크 선폭의 상부에서 자기장의 분포를 도시한다. 도 8b는 마스크 상의 패턴의 선폭의 1.5, 3.5 및 7.5배에 해당하는 거리에서 가장 강한 세기의 자기장을 가지는 사이트들을 도시하는 그래프이다.
본 발명의 기술의 흥미로운 특성이 분명하게 드러난다: 기판이 마스크로부터 상대적으로 멀리 있는 경우, 기판 상의 자기장은 약해진다; 그러나, 마스크 상의 라인의 중심부에서 피크를 이루며, 따라서 상기 마스크 상의 패턴들보다 더 얇은 패턴들을 갖는, 나노입자들의 흡착을 유도할 수 있다. 얻어지는 선폭은 매우 균일함을 유의하여야할 것이다. NP들이 작아지면 얻어질 수 있는 라인은 더욱 균일해지기 때문에, 균일성은 NP들의 크기에 의존한다. 그러나, NP들이 작아지면 더 작은 자기 쌍극자를 가지며, 따라서 더 높은 영구 자기장을 요구한다. 10 nm 지름의 입자들의 경우, 세 개의 입자들이 선폭을 정의하기 때문에, 30 nm 폭의 라인들은 ±30%의 변동을 갖는다.
도 9는 식각 및 증착 단계들을 포함하는 ML 방법의 한정하지 않는 특정 예를 도시한다. 자기장은 기판(102)의 위로 약 100 Gauss의 일정한 자기장을 형성하는 영구 자석(104)을 이용하여 기판(102)의 상부 상에 패터닝된다. 상자성 패턴들로 형성된 마스크(100)는 상기 기판의 배면에서 상기 자석과 상기 기판의 사이에 위치한다. 상기 마스크는 종래의 포토 리소그래피에 의해 패터닝된 상자성 금속들 상의 평평한 표면이거나 또는 상사성 금속으로 완전히 덮여진 패터닝된 3-차원 구조물일 수 있다. 후자에서, 상기 기판의 형상은 상기 마스크 상의 자기장을 정의한다. 전체의 조립된 시스템(자석, 마스크 및 웨이퍼)은 자성 나노입자들(106)을 포함하는 용액에 노출된다. 나노입자들(106)은 자기장의 구배의 강도에 따라 기판(102) 상에 조립된다. 다음으로 상기 시스템은 식각기 또는 증발기 내에 위치하고 상기 기판에 대해 공정이 수행된다. 다음으로 나노입자들(106)은 제거된다.
증착 및 식각을 위해, 상기 마스크들은 상기 마스크가 상자성 금속으로 패터닝된 경우 포토 리소그래피를 이용하거나, 도면에 도시된 바와 같이 3-차원 비평면의 실리콘 웨이퍼의 마스크를 이용함으로써 준비되었다. 후자의 경우, 실리콘 팁들 어레이는, 전체 마스크 상에 상자성 금속 코발트막이 증발(evaporating)된 후, 본 명세서에 참조로서 포함되는 WO2009/113063에 설명된 것과 같은 연속적인 이온 플라즈마 식각 및 포토 리소그래피를 이용하여 제조되었다. 비평면의 마스크들을 이용함으로써, 날카로운 비평면의 피쳐들이 특정 스팟(spot)들에 강한 자기장을 유도하기 때문에, 고농도의 고-분해능 패턴들을 얻는 것이 가능하다.
제한하지 않는 본 특정 예에서, 상기 마스크(들)는 얇은 실리콘 기판(300 ㎛ 두께)의 배면에 놓여진다. 영구 자석은 실리콘 표면(102) 상에 약 100 Gauss의 평균 자기장을 형성하기 위하여 마스크(100)의 배면에 클램핑(clamping)되었다. 다음으로 실리콘 기판(102)은 수용액에 안정화된 10 ㎍ ml-1의 Fe3O4 NP들(10 nm 지름)(106)의 용액에 노출되었다. NP들의 농도 및 웨이퍼가 상기 용액 내에 침지된 시간은 후속의 식각 또는 증착에 의해 얻어지는 피쳐들의 분해능 및 균일성을 규정한다.
식각의 경우, 실리콘 기판(102)은 이온 플라즈마 식각기, ICP-RIE 내에 위치하고, 통상적으로 사용되는 포토 레지스트 대신, 자성 NP들(106)을 식각 마스크로 이용하여 SF6 가스에 의해 15초 동안 식각된다. 식각 공정이 완료된 후, 실리콘 기판(102)은 세정되고 뜨거운 에탄올로 10분 동안 초음파 처리되며, 물로 린싱한 후 질소 스팀에 의해 건조된다.
도 10a는 마스크의 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM) 사진을 도시하며, 도 10b 내지 도 10d는 기판을 식각함으로써 형성되는 약 100 nm 지름 및 100 nm 높이의 실리콘 필라들의 패터닝을 다양한 배율들(10 ㎛, 2 ㎛, 100 nm)에서 도시한다. 본 공정에서 사용된 마스크는 비평면이고, 100 nm 두께의 코발트막을 갖는 3-차원 패터닝된 실리콘 웨이퍼를 코팅함으로써 제조된다.
도 11a는 평평한 실리콘 웨이퍼 상에 증착된 100 nm 두께 코발트 라인들 기초의 다른 마스크를 도시한다. 도 11b 및 도 11c에서, 식각된 패턴들이 두 개의 다른 배율들(2 ㎛, 250 nm)로 도시된다. 도 10b 내지 도 10d, 및 도 11b와 도 11c에 모두 도시된 결과물들은 공정의 최적화 없이 얻어졌으며, 따라서 구조물의 균일성이 이상적이지 않다. 그러나, 이러한 조건들 하에서도 분명한 구조물들이 얻어진다. 상술한 바와 같이, 통상적인 포토 리소그래피에서와 달리 본 발명의 ML 기술에서는, 얻어진 구조물들이 마스크 상에서와 동일하지 않음을 유의하여야 한다. 상기 기술은, 마스크 상의 패턴들 자체가 아니라, 마스크 상의 패턴들에 의해 형성되는 기판 상의 자기장의 형상에 민감하다. 따라서, 기판 상에 특정 형상의 패턴들을 얻기 위해서, 마스크 상의 패턴들의 형상은 기판 상에 요구되는 패턴들을 형성하도록 시뮬레이션되어야 한다.
도 12a 내지 도 12d는 도 11a에 도시된 마스크를 이용하여 자기장을 가함으로써 NP들에 기판을 노출한 후, 실리콘을 식각함으로써 얻어진 SEM 사진들을 보여준다. 결과물들은 노출 시간이 일정(5분)할 때, 용액 내의 다양한 농도들의 NP들에 대하여 얻어졌다. 특히, 도 12a는 10 ㎎ ml-1의 농도, 도 12b는 1 ㎎ ml-1의 농도, 도 12c는 300 ㎍ ml-1의 농도, 및 도 12d는 100 ㎍ ml-1의 농도에 대한 식각을 보여준다.
분명하게 나타난 바와 같이, 구조물들의 재현성 및 균일성은, 통상적인 포토 리소그래피에서 수행되는 최적화와 유사하게, 제어되고 최적화될 수 있다.
도 13a에 도시된 마스크를 이용하여 금속 증착이 수행되었다. 상기 마스크는 3-차원 패터닝된 실리콘 기판 상에 50 nm 두께의 크롬 막을 증착함으로써 제조되었다. 상기 기판이 영구 자석 및 마스크에 의해 형성된 자기장에 노출되었을 때, 도 13b 및 도 13c에 도시된 것과 같이, 자성 NP들이 실리콘 기판 상에 조립되었다. 금속 증착에 이어서, 리프트-오프(lift-off) 공정이 아세톤에서 5분 동안 초음파 처리함으로써 수행되었다. 결과적인 구조물들이 도 13d 및 도 13e에 나타난다. 형성된 상기 구조물들은 매우 균일하고 재현성 있다.
NP들은 다층 구조물로 조립되려는 경향이 있음을 유의하여야 한다. 만약 기판 상에 조립되는 NP들이 단일 층을 형성한다면, 표면을 완전히 커버하는 것이 가능하지 않을 수 있으며, 공간-분리된 빈 영역들이 상기 막 내에 남아, 공정의 심각한 불균일성을 가져올 수 있음을 유의하여야 한다. 다층 구조물들은 기판 상의 고-구배(high-gradient) 자기장 영역들에 조립되기 시작하는 제1 NP들의 그룹에 의해 유도되는 자기장으로부터 기인된다. 다층 클러스터들은 NP들 패턴들의 불투명성을 보장하며 따라서 마스킹의 균일성에 기여한다. 자성 NP들에 가해지는 힘은 다음과 같이 주어진다:
F=ΔχV(∇·B)Bμ0 -1, (1)
여기에서, B는 자속 밀도(Tessla), Δχ는 물체와 환경 사이의 자화율(susceptibility)의 차이(공기 중의 상자성 물질들에 대해 103-105 m-3), V는 부피(10 nm 지름 입자에 대해 ~1×10-19 cm3), μ0는 진공 투자율(permeability) 상수이다.
기판에 가해지는 평균 자기장은 약 10-2 Tessla이다. 우수한 균일성을 유지하면서, 패턴들의 크기, 예컨대 라인의 폭의 감소는 더 작은 입자, 예컨대 2 nm 입자들을 사용할 것을 요구한다. 이러한 입자들의 크기는 약 20±3 nm의 선폭들이 형성되는 것을 가능하게 한다. NP들의 자기 쌍극자가 부피에 비례하고, 자기장의 구배가 자기장에 비례적으로 증가할 것이라고 가정하면, 2 nm 입자들로의 공정을 위해 필요한 자기장은 약 0.1 Tessla이다.
다른 실시예들에서, 자기 패턴 발생기는, 컴퓨터들에 사용되는 하드디스크 소자들의 원리에 기초하고, 자기 헤드를 이용하여 자화 방향을 변화시킴으로써 전기적으로 자기장 공간 패턴을 얻도록 한다.
이와 관련하여, 도 14a 내지 도 14d는 자기 패턴 발생기로서 하드디스크 매체의 사용을 도시한다. 도 14a는 하드디스크 매체를 자기 패턴 발생기로 이용하여 형성된, 금 기판 상의 패턴의 광학 현미경 사진이다. 하드디스크들 소자들에 존재하는 것과 유사한 자기 헤드가 자기 매체, 특히 하드디스크 매체 상에 자기장을 전기적으로 패터닝하기 위해 이용된다. 이는 패턴(예컨대 컴퓨터의 스크린 상에 패터닝된 그림)을 자기 매체, 예를 들어 하드디스크 매체 상으로 자기 형상들로 전달하는 소프트웨어를 이용함으로써 이루어질 수 있다. 다음으로 하드디스크 매체는 하드디스크 드라이브로부터 꺼내어 지고 자기 패턴 발생기로 이용된다. 다음으로 얇은 금속 또는 폴리머 막이 패터닝된 하드디스크 매체 상에 증착될 수 있다. 다음으로 하드디스크 매체가 자기 패턴 발생기로 사용되는 경우, 자성 나노입자들은 본 발명의 교시들에 따른 네거티브 또는 포지티브 자기 리소그래피 방법을 적용하여 상기 얇은 막을 커버하기 위해 이용될 수 있다. 상기 얇은 막의 패터닝 후, 상기 막은 떨어지고, 상기 하드디스크는 재사용될 수 있다. 도 14b는 더 높은 분해능(20 ㎛)에서 금 기판 상의 동일한 패턴의 사진이고, 도 14c 및 도 14d는 고분해능 패터닝(2 ㎛ 및 20 nm)을 갖는 동일한 패턴의 사진들이다.
도 15a는 본 발명의 교시들에 따른 포지티브 ML의 적용에 의한 내측 튜브 표면의 패터닝을 설명하는 흐름도이다. 본 한정하지 않는 특정 예에서, 상기 내측 튜브 표면은 비씨클로헥실(bicyclohexyl, BCH) 용액에 침지되고 메르캅토 프로필 트리메톡시 실란(mercapto propyl trimethoxy silane)(142)에 의해 기능화되었던(예컨대, 실온에서 4시간 동안 10 mM의 메르캅토 프로필 트리메톡시 실란) 200 ㎛ 지름의 유리 튜브(140)이다. 10 nm 지름 자성 NP들(Fe3O4)은 플루오레세인(fluorescein)(144) 및 술포로다민(sulforhodamine)(146)에 의해 코팅되었다. 상기 NP들은 자기장에 의해 형광단(fluorophore) 용액으로부터 분리되었고, 다음으로 에탄올에 희석되었다. 자기장(예컨대, 약 100 Gauss)은 영구 자석을 이용하여 튜브(140)에 가해졌다. 플루오레세인이 달린 자성 NP들(144)은 상기 튜브 내로 주입되었고, 자기장 구배가 최대인 사이트들에 흡착되었다. 삼십분 후, 상기 튜브는 에탄올로 세정되었고, 자기장은 다른 사이트로 이동되었다. 다음으로, 술포로다민이 달린 자성 NP들(146)이 상기 튜브 내로 주입되었고, 새로운 사이트에 집중되었다. 삼십분 후, 상기 튜브는 에탄올로 세정되었고 질소로 건조되었다. 본 공정은 도 15b에 도시된 것과 같이, 패터닝된 튜브 내에 흡착된 나노입자들의 두 개의 밴드들로부터 관찰되는 플루오레세인 및 술포로다민 모두의 형광을 발생시켰다.
도 16a는 본 발명의 교시들에 따른 네거티브 ML의 적용에 의한 내측 튜브 표면의 패터닝을 설명하는 흐름도이다. 유리 튜브(160)(예컨대, 200 ㎛ 지름)의 내측부는 아미노 프로필 트리메톡시 실란(amino propyl trimethoxy silane)에 의해 기능화되었고(1 단계)(예컨대, 상기 튜브는 실온에서 4 시간 동안 10 mM의 아미노 프로필 트리메톡시 실란을 가지는 메탄올 용액에 침지되었음); 다음으로 자기장(161)(약 100 Gauss)이 상기 튜브를 따라 하나의 사이트에 가해졌으며, Fe3O4 NP들(162)을 포함하는 용액(예컨대, 1 ㎎ ml-1 Fe3O4 NP들)이 상기 튜브 내로 주입되었다(2 단계). NP들(162)은 자기장(161)이 가해진 사이트에서 링과 같이 배열된다. 다음 단계에서, N-하이드록시-석신이미드-비오틴(N-hydroxy-succinimide-biotin, NHS-비오틴), 예를 들어 1 ㎎ ml-1 NHS-비오틴이 아미노 기능 패터닝된 표면과 예컨대 1 시간동안 반응하였다. NP들(162)로 덮인 사이트는 보호되어, NHS-비오틴과 반응하지 않는다(3 단계). 본 공정은 상기 표면에서 비오틴화(biotinylation)를 위한 선택적인 위치들을 발생시키고, 이는 상기 NP들로 덮여지지 않는 사이트들이다. 자성 NP들은 상기 표면에 대해 불활성이므로, 자성 마스크가 제거된 후 상기 표면을 세정함으로써 제거될 수 있다(4 단계). 상기 튜브의 내측 표면 패터닝의 다중 단계들에서, 본 방법의 성공을 증명하기 위해, 준비된 비오틴화된 튜브는 제2 위치에서 자기장(161')에 노출되었다. NP들(162)은 상기 튜브 내로 주입되었다(5 단계). 다음으로 상기 기판은 버퍼 인산염 용액(pH 8), 예컨대 형광단 달린 아비딘(Av-FITC), 예를 들어 5 ㎍ 100㎕-1 Av-FITC의 50 mM 버퍼 인산염에 노출되었다(6 단계). 다시, 자성 NP들은 자기장에 의해 유인되었고 새로운 사이트에 조립되었다. 따라서, 상기 NP들 아래의 비오틴기들은 보호되었고 Av-FITC와 상호작용하지 않았다.
본 네거티브 ML 공정은 도 16b에 도시된 것과 같이 두 개의 밴드들을 갖는 패터닝된 표면을 발생시켰다. 좌측 밴드는 내측 튜브 표면에서 비오틴-NSH 분자들과 아민기 사이의 반응이 방지된 네거티브 ML을 나타내고, 우측 밴드는 미리 흡착된 비오틴 분자들과 용액 내의 Av-FITC 사이의 상호작용이 방지된 NP들로부터 발생된다. 자석을 제거하는 것은 자성 NP들이 풀어지게 하기 때문에, 제2 네거티브 ML 공정은 가역적이다(7 단계). 따라서, 이들 사이트들에서 비오틴기들은 보호되지 않고, 도 16b에 도시된 것과 같이 상기 튜브 내로 주입된 Av-FITC 분자들은 흡착된 비오틴기들과 상호작용할 수 있다(8 단계).
따라서, 본 발명은 상대적으로 작은 분자들로 튜브의 내측 표면을 패터닝하는 능력을 제공한다. 연속적인 공정들에서, 용액 내의 반응제와 표면에 흡착된 것 사이의 반응은 국부화되어야한다.
또한 본 발명은 효소(enzyme)로 튜브의 내측부을 패터닝하는 능력을 제공한다. 이와 관련하여, 도 17a 내지 도 17c는 본 발명의 네거티브 ML 방법을 이용하여 다른 위치들에서 튜브(200 ㎛ 지름)의 안쪽에 패터닝된 효소 우레아제(urease)의 링들을 도시한다. 먼저, 상기 튜브의 내측 표면은 아미노 프로필 트리메톡시 실란으로 변화되었다. 상기 튜브는 10mM의 아미노 프로필 트리메톡시 실란을 갖는 메탄올 용액에 실온에서 4시간 동안 침지되었다. 다음으로, 상기 튜브는 다중-페그(multi-peg) 자석(예컨대, 약 100 Gauss의 자기장을 유도함)에 노출되었고 자성 NP들(예컨대, 1 ㎎ ml-1의 용액)이 상기 튜브 내로 주입되었다. 자성 NP들은 도 17a에 도시된 것과 같이, 자성 핀들에 의해 유도되는 자기장을 따라 상기 튜브를 따라 배열되었다. 아미노 프로필 실란에 대한 우레아제의 공유 결합은, 0.01M의 1-에틸-3-(3-(디메틸아미노)프로필)카보디이미드(1-ethyl-3-(3-(dimethylamino)propyl)carbodiimide, EDC) 내에 0.5 ㎎ ml-1의 우레아제(예컨대, 잭(jack) 콩들로부터, 타입 3, E.C. 3.5.1.5) 를 포함하는 pH 7.3의 0.05M HEPES 버퍼 용액을, 예를 들어, 실온에서 2시간의 인큐베이션(incubation) 시간으로 주입함으로써 수행되었다. 따라서, 우레아제가 자성 NP들에 의해 보호되지 않았던 아미노기들에 공유 결합으로 결합되었다. 상기 NP들은 튜브를 세정함으로써 제거되었다. 요소(urea) 예컨대, 0.1 M의 요소를 포함하는 용액, 및 pH 지시자가 튜브를 통해 흘렀다/씻어 내려졌다. 우레아제가 패터닝된 영역들에서, 효소는 상기 요소를 분해하였고, NH3를 발생시켰다. 결과적으로, 상기 영역에서 pH가 증가하였고, 상기 지시자는 우레아제가 결합하는 위치에서 적색에서 녹색/청색으로 색상이 변화되었다. 도 17b에 분명하게 도시된 바와 같이, 높은 pH 영역들이 상기 튜브의 내측에 스팟들과 같이 나타난다. 상기 지시자의 색상 변화에 기초하여, 상기 튜브를 따른 pH 변화가 분석될 수 있으며, 도 17c에 도시된다. 본 실험은 효소들로 튜브의 내측을 패터닝하는 능력을 증명하였고, 효소와 요소 사이의 반응을 국부화하는데 대한 직접적인 증거를 제공한다.
튜브 내에 효소 반응들을 국부화하는 능력이 증명되고, 본 발명의 네거티브 ML은 순차적인 효소 반응들에 대해 적용되었다. 이 경우, 단백질의 포도당 산화효소(proteins glucose oxidase, GOx) 및 겨자무 과산화효소(horseradish peroxidase, HRP)는 도 18a에 도시된 것과 같이, 튜브(예컨대, 200 ㎛ 지름 튜브)의 내측 표면 상의 잘 정의된 사이트들에 흡착되었다. 먼저, 상기 튜브의 내측 표면은 아미노 프로필 트리메톡시 실란으로 변화되었다. 상기 튜브는 10mM의 아미노 프로필 트리메톡시 실란을 갖는 메탄올 용액에 실온에서 4시간 동안 침지되었다. 다음으로, 상기 튜브는 예컨대, 약 100 Gauss의 자기장을 유도하는 다중-페그 자석에 노출되었고 자성 NP들은 상기 튜브 내로 주입되었다. 자성 NP들은 자성 핀들에 의해 유도되는 자기장을 따라 상기 튜브를 따라 배열되었다. 자성 NP들에 의해 보호되지 않는 아미노 프로필 실란기에 대한 GOx의 공유 결합은, 1-에틸-3-(3-(디메틸아미노)프로필)카보디이미드(EDC), 예컨대 0.01M의 EDC 내에 0.5 ㎎ ml-1의 GOx(예컨대, 아스페르질루스 니게르(Aspergillus niger)로부터, E.C. 1.1.3.4)를 포함하는 pH 7.3의 예컨대, 0.05M HEPES 버퍼 용액을, 예를 들어, 실온에서 2시간의 인큐베이션 시간으로 주입함으로써 수행되었다. 따라서, GOx가 자성 NP들에 의해 보호되지 않았던 아미노기들에 공유 결합으로 결합되었다.
상기 NP들은 튜브를 세정함으로써 제거되었다. 다음으로, GOx 결합 사이트들에 자기장을 유도하는 다중-페그 자석을 이용하여, NP들에 의해 GOx 결합 사이트들을 보호하기 위해 ML의 제2 싸이클이 수행되었다. 다음으로, 아미노 프로필 실란에 대한 HRP의 공유 결합은, EDC(예컨대, 실온에서 2시간의 인큐베이션 시간으로 0.01M의 EDC) 내에 0.3 ㎎ ml-1의 HRP(E.C. 1.11.1.7)를 포함하는 버퍼 용액(예컨대, 0.05M HEPES 버퍼 용액)을 주입함으로써 수행되었다. 따라서, HRP가 아미노기들에 공유 결합으로 결합되었으며, 이는 GOx 결합 사이트들 중간에 위치한다. 상기 튜브 내의 순차적인 효소 반응은 상기 튜브에 2,2,5,5' 테트라메틸-벤지딘(2,2,5,5' tetramethyl-benzidine, TMB)을 갖는 포도당을 주입함으로써 시작되었다. TMB는 에탄올에 용해되고, 1mM TMB 및 2%(v/v) 에탄올을 포함하는 포도당 용액을 만들기 위해 50mM 포도당을 갖는 pH 6.0의 0.1M 버퍼 인산염으로 희석화되었다. 포도당은 글루콘산(gluconic acid) 및 H2O2를 만들기 위해, GOx 및 O2에 의해 산화되었다. H2O2는 HRP 결합 사이트들에 확산되고, HRP는 H2O2에 의해 TMB의 산화를 생물학적으로 촉진(biocatalyzing)시켜, 불용성 생성물을 만들었다.
도 18b는 HRP의 위치에서 불용성 생성물들의 참가(participation)들에 의해 발생하는 스팟들에 의해 나타나는 순차적인 효소 반응들의 결과물들을 도시한다. 한 세트의 제어 실험들은, 상기 불용성 생성물이 모든 구성요소들이 존재할 때만, 즉, GOx와 HRP 모두가 흡착되고, 포도당 및 TMB가 상기 용액에 용해될 때만 생성됨을 증명하였다.
따라서, 본 발명은 튜브의 내측에 패터닝하는 능력 및 공간적으로 국부화된 영역들에서 용액 반응들 내의 반응을 촉진하기 위해 패터닝된 기판을 사용하는 능력을 제공한다.

Claims (53)

  1. 목적 패턴에 따라 변화하는 자성 특성들을 자기장에 유도하기 위해 자기장을 조정하도록 구성되고 조작 가능한 적어도 하나의 자기 패턴 발생기를 제공하는 단계;
    조정된 자기장을 기판의 부근에 가하여, 상기 기판의 상부에 얻어지는 상호작용의 영역들의 특정 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 조정된 자기장의 적용 하에서, 상기 기판이 자성 입자들과 상호작용하는 단계를 포함하고,
    상기 자성 입자들은 상기 특정 패턴에 의해 정의된 상기 선택된 상호작용의 영역들에 유인(attracted)되고, 상기 상호작용의 영역들 외측의 영역들에는 실질적으로 유인되지 않으며, 따라서 상기 자성 입자들과 상호작용하는 상기 특정 패턴의 영역들을 상기 기판의 상부에 형성하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝(patterning) 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 목적 패턴은, 소정 자기장 프로파일에 대해, 샘플이 위치하게 되는 상기 자기 패턴 발생기로부터 소정 거리에서, 상기 특정 패턴에 대응하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 자기 패턴 발생기는 상기 자기장을 형성하는 자석과 상기 기판의 사이에 위치하는 마스크이며, 상기 마스크는 상기 기판의 전면 또는 배면 중 어느 하나에 위치하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 마스크는 전기적 전도성 와이어들로 형성된 동적(dynamic) 마스크이고, 상기 와이어들을 통한 전류의 인가 하에서, 자기장이 그 부근에 형성되는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    순차적인 패터닝을 유도하는 상기 자기장을 스위칭하도록, 상기 와이어들에 전류 흐름(flow)을 순차적으로 스위칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성 입자들은 강자성(ferromagnetic) 나노입자들인 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자기장의 효과를 제거함으로써 상기 자성 입자들을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성 입자들과 상호작용하는 영역들의 상기 패턴은 포지티브 리소그래피(positive lithography)를 이용하여 상기 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 자성 입자들은 상기 기판과의 화학적 인식(chemical recognition)에 의해 상기 기판과 상호작용하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  10. 제8 항 또는 제9 항에 있어서,
    상기 자성 입자들은 상기 기판과의 생물학적 인식(biological recognition)에 의해 상기 기판과 상호작용하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  11. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성 입자들과 상호작용하는 영역들의 상기 패턴은 네거티브 리소그래피(negative lithography)를 이용하여 상기 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 자성 입자들은 상기 기판에 대하여 불활성(inert)이고, 상기 기판 상의 상기 선택된 상호작용의 영역들을 반응제와의 반응으로부터 블록킹(blocking)하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  13. 제11 항 또는 제12 항에 있어서,
    상기 기판을 반응제와 상호작용시키는 단계;
    상기 자성 입자들로 하여금 상기 기판에 대한 상기 반응제의 결합을 블록킹시키는 단계; 및
    상기 자기장의 효과를 제거함으로써 상기 자성 입자들을 제거하고, 네거티브 패터닝된 기판을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 자성 입자들은 상기 자기 패턴 발생기를 물리적으로 멀리 옮김으로써 제거되는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  15. 제11 항에 있어서,
    화학적 인식 및/또는 생물학적 인식에 의해 제1 반응제가 상기 기판과 상호작용하는 단계;
    상기 제1 반응제에 의해 덮여진 상기 기판이 상기 선택된 상호작용의 영역들에서 유인되는 상기 자성 입자들과 상호작용하는 단계;
    제2 반응제가 상기 기판과 상호작용하는 단계;
    상기 자성 입자들이 상기 제1 반응제와 상기 제2 반응제의 사이의 상기 인식을 블록킹하는 단계; 및
    상기 자성 입자들을 제거하고 네거티브 패터닝된 기판을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 제1 반응제는 촉매를 포함하고, 상기 촉매의 패터닝된 영역들을 형성하여 공간적으로 국부화된 영역들에서 적어도 하나의 화학 반응을 촉진하기 위하여 상기 패터닝된 기판을 이용하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 촉매는 상기 화학 반응이 효소 반응이 되도록 효소(enzyme)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 촉매의 상기 패터닝된 영역들은 소정 스팟(spot)을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  19. 제15 항 내지 제18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 반응제는 제1 효소를 포함하고, 상기 제2 반응제는 제2 효소를 포함하여, 순차적인 효소 반응들을 유도하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  20. 제1 항 내지 제19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 목적 패턴에 따라 자신에 가해지는 자기장의 자성 변화 특성들을 제공하도록 구성되고 조작 가능한 제2 자기 패턴 발생기를 제공하는 단계;
    상기 제2 자기 패턴 발생기를 통해 상기 특정 패턴을 갖는 상기 기판의 부근에 자기장을 가하여, 상기 기판의 상부에 자기장의 제2 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 자기장의 적용 하에서, 상기 자성 입자들이 상기 기판과 상호작용하는 단계를 포함하고,
    상기 입자들은 상기 제2 목적 자성 패턴에 의해 정의된 제2 선택된 상호작용의 영역들에 유인되고, 상기 특정 패턴으로 상기 기판의 상부의 상기 입자들과 상호작용하는 이격된 영역들의 제2 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  21. 제1 항 내지 제20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    용액에 상기 기판을 침지(immersing)시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  22. 제21 항에 있어서,
    상기 용액은 자성 입자들, 및 하나 이상의 반응제들 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  23. 제22 항에 있어서,
    상기 반응제는 바이오-분자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  24. 제1 항 내지 제23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 자기-조립된(self-assembled) 단일층으로 기능화된 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  25. 제1 항 내지 제24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 비평면의 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  26. 제25 항에 있어서,
    상기 기판은 튜브(tube)이고, 상기 입자들은 상기 목적 패턴에 의해 정의된 상기 튜브의 내측 표면 상의 상기 선택된 상호작용의 영역들에서 유인되어, 상기 기판의 상기 내측 표면에 상기 입자들과 상호작용하는 영역들의 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  27. 제1 항 내지 제26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 연속적인 영역들에 순차적으로 상기 자기장을 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  28. 제1 항 내지 제27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 부근에 상기 자기장의 구배(gradient)를 가하는 단계;
    상기 기판이 상기 자성 입자들과 상호작용하는 단계; 및
    상기 자기장의 구배의 강도에 대응하는 상기 자성 입자들의 농도-구배와 상호작용하는 영역들의 상기 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  29. 제28 항에 있어서,
    상기 자성 입자들의 상기 농도-구배와 상호작용하는 영역들의 상기 패턴은, 상기 패터닝된 기판의 피쳐(feature)들이 상기 자기 패턴 발생기에 의해 형성되는 상기 자기장 특성들의 상기 패턴의 피쳐들보다 작도록, 대응하는 상기 자기장의 구배의 특성 치수보다 더 좁은 특성 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  30. 제29 항에 있어서,
    상기 패터닝된 기판의 상기 피쳐들은 서브-마이크론(sub-micron) 스케일인 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  31. 제1 항 내지 제30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    균일한 패턴을 얻기 위해 대응하는 자기장 및 상기 자성 입자들의 크기를 선택하는 단계를 포함하는 기판의 패터닝 방법.
  32. 제29 항 내지 제31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패턴의 균일성 및 피쳐들은 상기 자기장의 적용의 지속 시간(duration) 및 상기 자성 입자들의 농도를 적절하게 선택함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  33. 제1 항 내지 제32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자기장의 적용은 자기 매체(medium)를 통해 수행되고, 상기 방법은,
    상기 자기장의 자화 방향을 제어 가능하게 변화시켜, 상기 자기 매체 상에 자기장 공간 패턴을 전기적으로 형성하는 단계;
    상기 패터닝된 매체의 상부에 막을 증착하는 단계; 및
    상기 막에 의해 덮여진 상기 자기 매체가 상기 자성 입자들과 상호반응하여, 상기 자기 매체의 상부에 패터닝된 막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  34. 제33 항에 있어서,
    상기 자기장 공간 패턴을 전기적으로 형성하는 단계는,
    소정 데이터 패턴을 상기 자기 매체 상에 자성 형상들로 변환하기 위해 컴퓨터 알고리즘(algorithm)을 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 패터닝 방법.
  35. 제1 항 내지 제34 항의 방법;
    상기 입자들과 상호작용하는 영역들의 상기 패턴을 식각 마스크로서 이용하며, 상기 기판을 식각기 내에 특정 시간동안 위치시키는 단계; 및
    상기 자기장의 효과를 제거함으로써 상기 자성 입자들을 제거하여, 식각된 영역들의 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 마이크로-전자 소자들의 제조 방법.
  36. 제35 항에 있어서,
    식각된 영역들의 상기 패턴은, 상기 기판 상의 상기 패턴의 피쳐 사이즈가 상기 자기 패턴 발생기에 의해 형성되는 상기 패턴의 피쳐 사이즈보다 작도록, 대응하는 상기 자기장의 구배의 특성 치수보다 더 좁은 특성 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로-전자 소자들의 제조 방법.
  37. 제1 항 내지 제36 항 중 어느 하나의 방법에 의해 제조된 패터닝된 구조물.
  38. 자기장을 형성하기 위한 자기 소스; 및
    기판 상에 형성될 특정 패턴에 대응하는 목적 패턴에 따라 자기장에 자성 변화 특성들을 제공하기 위해 상기 자기장을 조정하도록 구성되는 적어도 하나의 자기 패턴 발생기를 포함하는 기판을 패터닝하기 위한 장치.
  39. 제38 항에 있어서,
    상기 목적 패턴은, 소정 자기장 프로파일에 대해, 샘플이 위치하게 되는 상기 자기 패턴 발생기로부터 소정 거리에서, 상기 특정 패턴에 대응하는 것을 특징으로 하는 기판을 패터닝하기 위한 장치.
  40. 제38 항 또는 제39 항에 있어서,
    상기 자기 패턴 발생기는 상기 자기장을 형성하는 자석과 상기 기판의 사이에 위치하는 마스크이며, 상기 마스크는 상기 기판의 전면 또는 배면 중 어느 하나에 위치하는 것을 특징으로 하는 기판을 패터닝하기 위한 장치.
  41. 제40 항에 있어서,
    상기 마스크는 전기적 전도성 와이어들로 형성된 동적 마스크이고, 상기 와이어들을 통한 전류의 적용 하에서, 자기장이 그 부근에 형성되는 것을 특징으로 하는 기판을 패터닝하기 위한 장치.
  42. 제40 항에 있어서,
    상기 마스크는 반자성(diamagnetic), 상자성(paramagnetic) 및 강자성 라인들 중 적어도 하나로 패터닝되는 것을 특징으로 하는 기판을 패터닝하기 위한 장치.
  43. 제40 항 내지 제42 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마스크는 비평면의 구조물인 것을 특징으로 하는 기판을 패터닝하기 위한 장치.
  44. 제38 항 내지 제43 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자기 소스는 영구 자석인 것을 특징으로 하는 기판을 패터닝하기 위한 장치.
  45. 제38 항 내지 제43 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자기 소스는 다중-페그(multi-peg) 자석인 것을 특징으로 하는 기판을 패터닝하기 위한 장치.
  46. 제38 항 내지 제45 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 튜브이고, 상기 입자들은 상기 목적 패턴에 의해 정의된 상기 튜브의 내부의 상기 선택된 상호작용의 영역들에서 유인되어, 상기 기판의 상기 내측 표면에 상기 입자들과 상호작용하는 영역들의 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 기판을 패터닝하기 위한 장치.
  47. 제46 항에 있어서,
    상기 자기 소스는 상기 튜브를 둘러싼 자석인 것을 특징으로 하는 기판을 패터닝하기 위한 장치.
  48. 제46 항 또는 제47 항에 있어서,
    상기 튜브는 튜브 반응기로서 구성되고 동작되어, 상기 튜브 반응기 내에서 순차적인 반응들을 수행할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 기판을 패터닝하기 위한 장치.
  49. 제38 항 내지 제48 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판 상에 형성될 상기 특정 패턴에 대응하는 자기장 공간 패턴을 형성하기 위해 자기 패턴 발생기의 동작을 제어하도록 구성되고 동작할 수 있는 제어 유닛을 포함하는 기판을 패터닝하기 위한 장치.
  50. 제49 항에 있어서,
    상기 마스크는, 상기 자기장 공간 패턴을 전기적으로 얻을 수 있도록 자기 매체 상의 자기장의 자화 방향을 변화시키기 위하여 상기 제어 유닛에 의해 조작 가능한, 상기 자기 소스에 의해 패터닝되는 자기 매체를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판을 패터닝하기 위한 장치.
  51. 제50 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 자기 매체 상의 자기 프로파일 내로 소정 데이터 패턴을 전달하도록 미리 프로그래밍된 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판을 패터닝하기 위한 장치.
  52. 제49 항에 있어서,
    상기 자기 매체는 하드디스크 매체를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판을 패터닝하기 위한 장치.
  53. 제38 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기 패턴 발생기는 패터닝된 자기 매체를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판을 패터닝하기 위한 장치.
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