KR20110124214A - 균일한 기판을 포함하는 넓은 면적의 균일한 어레이 제작 - Google Patents

균일한 기판을 포함하는 넓은 면적의 균일한 어레이 제작 Download PDF

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KR20110124214A
KR20110124214A KR1020117017435A KR20117017435A KR20110124214A KR 20110124214 A KR20110124214 A KR 20110124214A KR 1020117017435 A KR1020117017435 A KR 1020117017435A KR 20117017435 A KR20117017435 A KR 20117017435A KR 20110124214 A KR20110124214 A KR 20110124214A
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나빌 아. 암로
레이몬드 세인드린
얼 제이. 거빈스
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나노잉크, 인크.
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Abstract

적어도 1 평방 밀리미터의 표면적을 제공하는 적어도 하나의 표면을 포함하는 적어도 하나의 고체 기판을 포함하고, 상기 표면이 상기 표면적의 적어도 90%를 덮는 물질 침착물의 균일한 어레이를 포함하는 물품. 모서리-대-모서리 패턴형성 및 넓은 면적의 기판이 수득될 수 있다. 응용은 세포의 성장을 포함한다.

Description

균일한 기판을 포함하는 넓은 면적의 균일한 어레이 제작 {LARGE AREA, HOMOGENEOUS ARRAY FABRICATION INCLUDING HOMOGENEOUS SUBSTRATES}
관련 출원
본 출원은 2009년 1월 26일에 출원된 미국 가출원 제61/147,452호를 우선권 주장하며, 이 가출원은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.
마이크로구조 및 나노구조를 포함하는, 넓은 면적의 구조를 제작하기 위한 기존의 방법 및 장치에 개선의 필요성이 존재한다. 예를 들어, 하나의 중요한 기술 분야는 팁, 또는 팁들의 어레이로부터 기판으로 물질을 전이시키는 능력이다. 예를 들어, 도트(dot)와 선(line)이 본 방법에 의해 형성될 수 있으며, 이는 직접 쓰기 패턴형성 또는 석판술 방법이다. 나노규모 팁들은 나노규모 구조를 형성하는 데 사용될 수 있다. 그러한 구조를 위한 하나의 응용은 예를 들어 줄기 세포를 포함하는 세포의 더 나은 설계를 포함한다.
패턴형성을 위한 기판은 미국 특허 제7,339,282호에 기재되어 있다.
요약
본원에 기재된 실시양태는 예를 들어 물품, 장치, 기기, 소프트웨어, 제조 방법 및 사용 방법을 포함한다.
하나의 실시양태는 적어도 1 평방 밀리미터의 표면적을 제공하는 적어도 하나의 표면을 포함하는 적어도 하나의 고체 기판을 포함하고, 상기 표면이 상기 표면적의 적어도 90%, 또는 적어도 95%, 또는 적어도 99%를 덮는 물질 침착물의 균일한 어레이를 포함하는 물품을 제공한다. 상기 물품은 표면 위에 적어도 하나의 세포를 더 포함할 수 있다. 상기 물품은 물질 침착물을 나노석판술 인쇄로 직접 기록하는 단계를 포함하는 단계들에 의해 제조될 수 있다.
또 다른 실시양태는 적어도 1 평방 밀리미터의 표면적을 제공하는 적어도 하나의 표면을 포함하는 적어도 하나의 고체 기판을 포함하고, 상기 표면이 상기 표면적의 적어도 95%를 덮는 물질 침착물의 균일한 어레이를 포함하는 물품을 제공한다.
또 다른 실시양태는 적어도 1 평방 밀리미터의 표면적을 제공하는 적어도 하나의 표면을 포함하는 적어도 하나의 고체 기판을 포함하고, 상기 표면이 상기 표면적의 적어도 99%를 덮는 물질 침착물의 균일한 어레이를 포함하는 물품을 제공한다.
하나 이상의 실시양태에서 적어도 하나의 장점을 찾아볼 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시양태에서, 개선은 2-차원 펜 어레이(2D 나노 프린트어레이(PrintArray™))를 기판 표면에 대하여 평탄화하고, 모서리 영역을 포함하는 넓은 영역에 걸쳐 균일하고 균질의 침착을 제공하는 것을 기반으로 할 수 있다. 2D 펜 어레이가 기판 표면에 대하여 적절하게 평탄화되지 않을 경우, 일부 펜 팁들은 다른 팁들보다 먼저 표면에 닿을 수 있고, 일부 펜 팁들은 기판 표면에 전혀 닿지 않을 수 있고/거나, 기판 표면 위에 이들 팁에 의해 가해진 부하가 상이하여 불균일하고 일관성없는 패턴을 초래할 수 있다. 적어도 하나의 개선의 장점은 2D 펜 어레이의 모든 팁들이 거의 동일하게 작용하는 힘으로 표면을 살짝 건드릴 때를 확신있게 결정하는 것일 수 있다. 분화 연구 및 상업화를 포함하는, 줄기 세포 연구 및 상업화를 포함하는 세포 연구 및 상업화의 결과를 개선하는 데 있어서, 하나 이상의 장점이 수득될 수 있다. 다른 장점을 이하에 나타낸다.
특허 또는 출원 파일은 컬러로 작업된 적어도 하나의 도면을 포함한다. 컬러 도면(들)을 갖는 본 특허 또는 특허 출원 공보의 사본은 신청하고 필요한 요금을 지불하면 관청으로부터 제공될 것이다.
도 1: 캔틸레버 역 반사를 이용하는 2D 펜어레이 접근.
도 2: 제1 초기 팁-표면 접촉 점 너머 표면 내로 팁을 구동 시 2D 펜어레이를 사용하여 제작된 어레이. (A) 휘어진 직사각 어레이의 광학 사진. (B) 2D 펜어레이의 단일 팁의 SEM 사진.
도 3: 도트 대신 선의 형태로 음각 형태의 형성.
도 4: 팁 품질. (A) 팁이 없으면 어레이도 없는 결과를 가져왔다. (B) 팁이 평면을 벗어나면, 양각 및 음각 패턴이 나란히 존재한다. (C) 평면을 벗어난 팁들의 SEM 사진.
도 5: 2D 칩 증기-피복. (A) 전체 기판에 걸쳐 접근 도트를 보여주는 광학 사진. (B) 피복 위 칩으로 인하여 티올 분자의 비특이적 침착.
도 6: 3개의 z-축 모터 위에 안착된, 스캐너 위에 탑재된 2D 나노 펜어레이.
도 7: 뷰포트를 통해서 본 캔틸레버.
도 8: "악어 눈 (Alligator Eye)" 과정을 이용하는 미세 평탄화 접근.
도 9: 상기 악어-눈 평탄화 과정을 이용하는 5 평방 mm 패턴형성된 기판의 네 귀퉁이의 광학 사진.
도 10: 높은 정밀도 평탄화 과정을 이용하여 제작된 어레이의 고해상도 광학 사진.
도 11: 제작된 어레이의 고해상도 광학 및 지형학적 AFM 사진.
도 12: DPN 제작을 위해 사용될 수 있는 제1 세대 냉각 시스템.
도 13: 상이한 온도에서 제작된 어레이의 지형학적 및 높이 윤곽. (A) 25℃에서 및 (B) 18℃에서.
도 14: 제2 세대 냉각 시스템.
도 15: 다양한 기판 온도로 생성된 16-머캅토헥사데칸 티올 도트의 지형학적 AFM 사진 및 등고선 그래프.
도 16: 4 및 0.4 초의 2가지 상이한 체류 시간을 갖는 16-머캅토헥사데칸 티올에 대한 도트 직경 및 온도 그래프 (각각 시리즈 1 및 2).
도 17: 0.4초의 체류 시간에서 1-옥타데칸 티올의 온도에 대한 지형학적 AFM 사진 및 도트 직경 등고선 그래프.
도 18: 실질적인 열적 변동 없이 온도를 적어도 수십 시간 동안 일정하게 유지하는, 열 싱크를 위해 보다 나은 재료 및 디자인이 도입된 펠티에 (Peltier) 모듈에 근거한 제3 세대의 가열 및 냉각 스테이지.
도 19: 제3 세대의 가열 및 냉각 스테이지를 이용하여 제작된 어레이의 광학 사진.
도 20: 상이한 온도 및 습도에서 생성된 AUT 나노도트의 마찰 AFM 사진.
도 21: 1D 팁 어레이 및 60℃ 및 65% RH에서의 가열 스테이지를 이용하여 제작된 어레이.
도 22: 가열 모드에서 제3 세대 스테이지 시스템을 이용하는, AUT 피복된 2D 펜 어레이를 이용하는 균일한 어레이 패턴의 모서리-대-모서리 생성.
도 23 - DAPI (청색), 뉴클레오스타민 (녹색), 액틴 (적색) 및 STRO-1(자색)으로 염색된 ODT 기판의 1x1 mm 부분.
도 24 - DAPI (청색), 뉴클레오스타민 (녹색), 액틴 (적색) 및 STRO-1(자색)으로 염색된 ODT 기판.
상세한 설명
도입
본원에 인용된 모든 참고문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.
2009년 1월 26일에 출원된 우선권 미국 가출원 제61/147,452호는 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. 뿐만 아니라, 2009년 1월 26일에 출원된 미국 가출원 제61/147,448호는 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. 2009년 1월 26일에 출원된 미국 가출원 제 61/147,449호는 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. 2009년 1월 26일에 출원된 미국 가출원 제 61/147,451호는 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.
예를 들어 평탄화 및 기판 온도 조절에 대한 실시양태를 포함하는 본원에 기재된 실시양태는 제작, 이미지화 및 다른 응용을 위해 사용될 수 있다.
하나의 바람직한 실시양태는 물질이 팁으로부터, 또는 팁들의 어레이로부터 기판으로 전달되는 공정에 대한 조절을 개선하기 위한 상기 방법 및 물품의 용도이다. 하나의 바람직한 실시양태는 나노스코프 팁들의 고밀도 어레이와 함께 사용하는 것이다. 또 다른 바람직한 실시양태는 줄기 세포 연구 및 상업적 용도를 포함하는 세포 연구 및 상업적 용도를 위한, 제작된 어레이의 용도이다.
하나의 실시양태에서, 딥 펜 나노리소그래피 (Dip Pen Nanolithography)® (DPN®) 공정을 이용하는 줄기 세포 분화를 위한 주형화된 금 표면의 cm2 면적의 생성은 예를 들어 펜 팁을 잉크로 피복함, 비특이적 침착, 및 기판 표면에 대하여 2D 펜 어레이를 평탄화하는 것을 포함하는 여러 가지 문제점을 내포한다. 2D 펜 어레이의 평탄화가 적절히 행해지지 않을 경우, 패턴 변형, 어레이 내 및 어레이들 사이의 불균일 구조, 휨, 및 음각 형태가 나타날 수 있다. 이러한 문제점들 외에도, 제작된 구조가 일부 경우에, 줄기 세포 분화를 개시하기 위해 100 nm 보다 작아야 한다. 마지막으로, 모서리에서 모서리까지 패턴형성된, 균일한 대형 기판의 제작을 위한 신뢰할만한 상업적 과정이 필요하다. 이러한 사안들을 극복하기 위해, 2D 패턴화 공정, 특히 일관되고 균일한 패턴을 생성하기 위해 펜 팁의 증기-피복과 결합된 2D 평탄화에 대한 더 많은 이해가 필요하다.
하나의 응용에서, 이들 측면은 줄기 세포의 분화에 직접 영향을 줄 수 있으며, 여기서 균일한 패턴형성은 더 나은 분화를 초래할 수 있다.
기판에 대하여 어레이를 평탄화하기 위해, 예를 들어 나노잉크(NanoInk)에 의해 최근 개발된 평탄화 소프트웨어를 이용하여, 이미 수립된 과정을 따를 수 있다. 2008년 2월 5일에 출원된 미국 특허 가출원 제61/026,196호(083847-0383)를 참조하라. 상기 공정 도중 사람의 개입 및 판단에 대한 필요가 있을 수 있으며, 일부 경우에 팁들이 언제 표면에 닿았는지를 판단하기 어려울 수가 있고, 이는 예를 들어 불균일 패턴형성을 포함하는 기술적 문제점을 초래할 수 있다.
상기 과정을 시험하기 위해, 2D 펜 어레이를 옥타데칸티올(ODT)로 증기-피복할 수 있다. 평탄화는, 캔틸레버가 평탄화되었는지 여부를 결정하기 위해 상기 캔틸레버의 배면으로부터 반사를 모니터링함으로써 광학 시스템을 이용하여 수행된다. 상기 과정은 팁들이 표면 위에 얼마나 멀리 또는 얼마나 많이 압박되는지에 의존하며, 이는 도 1A 및 B에 나타난 것과 같이 캔틸레버의 배면으로부터 빛의 반사를 변화시키는 원인이 된다. 상기 사진은 캔틸레버의 배면 위의 두 상이한 반사를 주황 내지 붉은 색으로 보여준다.
상기 예에서, 가해진 부하가 무엇인지는 알려지지 않았을지라도 변화가 분명하며; 일부 경우에는 캔틸레버의 배면으로부터 반사의 변화가 그다지 분명하지 않으므로 이들 팁이 표면에 언제 닿았는지를 알기가 매우 어렵다. 일부 경우에는 또한, 상이한 시스템을 이용하여 같은 과정을 반복하여 같은 결과에 도달하기가 어려울 수 있다. 편향의 변화는 예민할 수도 있지만, 그리 민감하지 않을 수도 있으며, Z-압전기 센서가 100 nm 또는 수 마이크로미터만큼 작동할 때 두 반사들 사이에 분리점 또는 예리한 전이가 없다.
더 높은 힘을 가하는 데 있어서 문제점은 도 2A에 나타난 것과 같은 휘는 현상일 수 있으며, 밝은 도트들은 제1 팁-표면 접촉의 접근 도트이고 (접촉점 "a"), 직사각형 도트 어레이(18 x 40 μm2)인 고안되고 실행된 패턴은 직경 1 μm이고 4 μm 만큼 떨어져 있는 도트를 포함한다. 상기 광학 사진에서, 어레이는 전반부의 경우 휘었고, 후반부의 경우에는 부하의 감소 또는 접촉점으로부터 "a-x 마이크로미터" 굽은 캔틸레버의 증가로 인하여 조절되기 시작할 것인데, 이는 패턴의 절반이 수행된 후에는 팁이 표면 내로 덜 구동됨을 의미한다. 이러한 현상은 초기 접촉 점을 너머 표면 안으로 팁을 구동시킴으로 인해 관찰된다. 이들 팁은 일정한 이동 자유(FOT)를 가지고 평탄 면으로부터 굽어지도록 고안될 수 있다. FOT는 도 2B에서 보는 바와 같은, 팁의 첨필과 칩 받침대 사이의 거리의 차이다. 상기 전형적인 2D 칩의 경우, FOT는 16.8 μm이고 이 숫자는 칩들 간에 변한다.
표면 위에 높은 부하를 가하거나 초기 접촉 점 너머 표면 내로 팁을 구동시키는 것으로부터 발생되는 추가의 사안은 도트 대신 선의 형태로 음각 형태의 변형 및 형성에 있다. 이러한 현상은 도 3에서 보는 바와 같이, 팁이 표면 내로 얼마나 많이 구동되는지, 그리고 직사각형 어레이가 휘어질 수 있는지 여부에 의존한다. 도 3A는 각 어레이의 시작에서 밝은 접근 도트와 유사한 양각의 밝은 도트 대신 휘어진 어레이 내에 음각 선의 형성을 나타낸다. 유사하게, 도 3B는 각 어레이의 시작에서 밝은 접근 도트와 유사한 양각의 밝은 도트 대신 직사각형 어레이 내 음각 선의 형성을 나타낸다. 이들 어레이는 휘지 않는데, 그 이유는 팁들이 표면 내로 접촉 점 너머 구동되었지만 휘는 현상을 위한 문턱을 통과하지는 않았기 때문이다.
2D 펜어레이의 품질은 큰 면적의 제작이 필요할 경우 중요한 역할을 한다; 칩 위의 임의의 소실되거나 손상된 팁, 팁의 평면성, 및 평면을 벗어난 팁의 존재가 불균일한 기판 제작을 초래할 것이다. 도 4는 소실된 및 평면을 벗어난 팁을 갖는 2D 펜 어레이를 사용하여 제작된 기판을 보여준다. 도 4A에서는, 붉은 화살표로 나타낸 여러 개의 소실된 어레이가 존재한다. 이들 소실된 어레이는 팁 제작으로 인하여 소실된 팁들 또는 운송 및 조립 도중 손상에 직접 관계된다. 팁 제작 도중, 일부 평면을 벗어난 팁들은 다소간 굽어질 수 있으며, 이는, 도 4B의 광학 사진에서 나타난 것과 같이, 상이한 패턴이 제작되는 것을 초래할 수 있고, 여기서 양각 및 음각 패턴은 팁들과 표면 사이에 상이한 접촉으로 인하여 나란히 생성되었다. 평면을 벗어난 팁은 붉은 화살표로 나타낸 도 4C에서 보인다.
기기사용
본원에 기재된 실시양태를 실시하기 위해 사용될 수 있는 기기의 사용은 엔스크립터 (NSCRIPTOR), DPN5000, 및 NLP 2000을 포함하는 나노잉크 사(NanoInk, Inc.)의 제품인 기기, 및 잉크, 기판, 소프트웨어 등을 포함하는 이들 기기에 관련된 요소를 포함한다. 기기는 나노석판술을 포함하여 직접 석판인쇄를 기록할 수 있게 한다. 패턴화를 위한 하나의 기기는 예를 들어 2009년 1월 22일에 공고된 미국 특허 공보 2009/0023607(Rozhok et al.)에 기재되어 있다.
큼직한 평행의 2차원 어레이가 예를 들어 2008년 5월 8일에 공고된 미국 특허 공고 2008/0105042(Mirkin, Fraga/a, et al.)에 기재되어 있다.
뷰포트를 포함하는 개선된 어레이가 예를 들어 2008년 3월 11일에 출원된 미국 특허 출원 12/073,909(Haaheim et al.)에 기재되어 있다.
팁들과, 티올 및 기타 황 화합물을 포함하는 침착 물질을 사용하는 직접 기록하는 나노석판술이 예를 들어 미국 특허 제6,635,311호 및 6,827,979호(Mirkin et al.)에 기재되어 있다. 평행 프로브 어레이가 예를 들어 미국 특허 제6,867,443호(Liu et al.)에 기재되어 있다.
또한 하기 문헌을 참조하라: (1) ["Applications of dip-pen nanolithography" Salaita et al., Nature Nanotechnology, vol. 2, March 2007, 145-155], (2) ["Dip Pen Nanolithography: A Desktop Nanofab Approach Using High Throughput Flexible Nanopatterning, Haaheim, Scanning, 2008, 30, 137-150], (3) ["The Evolution of Dip-Pen Nanolithography" Ginger, Angewandte Chemie, 2004, 43, 30-45].
에칭 패턴화된 표면이 예를 들어 미국 특허 제7,291,284호(Mirkin et al.)에 기재되어 있다.
주사 프로브 접촉 인쇄가 예를 들어 미국 특허 제7,344,756호에 기재되어 있다.
나노석판술 기기 및 공정을 제어하기 위한 소프트웨어가 예를 들어 미국 특허 제7,060,977호(Cruchon-Dupeyrat) 및 7,279,046호(Nelson et al.)에 기재되어 있다.
정렬 방법은 예를 들어, 본원에 참고로 포함되는, 2007년 8월 30일에 출원된 미국 특허 출원 11/848,211에 기재되어 있다.
중합체 펜 석판술은 본원에 기재된 방법 및 장치에 의해 변경될 수도 있다. 2009년 10월 29일에 공개된 WO 2009/132,321 참조.
캔틸레버 및 캔틸레버의 어레이
캔틸레버는 당 분야에 공지되어 있으며, 예를 들어 AFM 캔틸레버일 수 있다. 캔틸레버는 예를 들어 중실(solid) 팁, 중공(hollow) 팁, 나노스코프 팁, 주사 프로브 현미경 팁 및 AFM 팁을 포함하는 팁들을 그 위에 포함할 수 있다. 예를 들어 질화 규소 및 규소를 포함하는 공지의 물질이 사용될 수 있다. 캔틸레버 및 팁들은 고밀도 어레이를 위해 적합화될 수 있다. 예를 들어, 캔틸레버는 굽어지고 팁들은 연장될 수 있다.
하나의 실시양태는 (i) 복수의 캔틸레버의 2-차원 어레이; 및 (ii) 어레이를 위한 지지체를 포함하며, 여기서 상기 어레이가 복수의 바닥 열을 포함하고, 각각의 바닥 열은 상기 바닥 열로부터 뻗어있는 복수의 캔틸레버를 포함하며, 상기 각각의 캔틸레버는 상기 바닥 열로부터 떨어진 캔틸레버 말단에 팁을 포함하고, 상기 어레이는 팁들이 실질적으로 평면인 표면과 접촉할 때 상기 어레이의 팁-아닌 요소의 실질적인 접촉을 방지하도록 적합화되는 것인 물품이다.
하나의 실시양태는 또한 (i) 복수의 캔틸레버의 2-차원 어레이, 및 (ii) 어레이를 위한 지지체를 포함하며, 여기서 상기 어레이가 복수의 바닥 열을 포함하고, 각각의 바닥 열은 복수의 캔틸레버를 포함하며, 상기 각각의 캔틸레버는 상기 바닥으로부터 떨어진 캔틸레버 말단에 팁을 포함하고, 상기 캔틸레버의 수는 250개를 초과하며, 상기 팁들은 캔틸레버에 비하여 예를 들어 적어도 4 마이크로미터의 정점 높이를 갖는 것인 물품이다.
또 다른 실시양태는 복수의 캔틸레버의 2-차원 어레이를 포함하며, 여기서 상기 어레이가 복수의 바닥 열을 포함하고, 각각의 바닥 열은 복수의 캔틸레버를 포함하며, 상기 각각의 캔틸레버는 상기 바닥으로부터 떨어진 캔틸레버 말단에 팁을 포함하고, 상기 캔틸레버의 수는 250개를 초과하며, 상기 팁들은 캔틸레버의 팁 측 위에 금속으로 피복되고, 상기 캔틸레버는 예를 들어 그들의 바닥으로부터 적어도 10°의 각으로 굽어져 있는 것인 물품을 제공한다.
캔틸레버의 2-차원 어레이는 당 분야에 공지되어 있다. 예를 들어, 2-차원 어레이는, 바람직하게는 서로에 대하여 실질적으로 수직인, 길이와 폭을 제공하는 일련의 열과 행일 수 있다. 상기 어레이는 제1 차원 및 제2 차원을 포함할 수 있다. 2-차원 어레이는 서로의 옆에 배치되어 제2 차원을 구축한, 일련의 1차원 어레이일 수 있다. 두 차원은 수직일 수 있다. 캔틸레버는 자유로운 말단 및 결합된 말단을 포함할 수 있다. 캔틸레버는 자유로운 말단 또는 그 근처에, 결합된 말단으로부터 멀리에 팁들을 포함할 수 있다. 하나의 열의 캔틸레버는 다음 열 위의 캔틸레버와 같은 방향을 가리키거나, 하나의 열의 캔틸레버는 다음 열 위의 캔틸레버와 반대 방향을 가리킬 수 있다.
2-차원 어레이는 두 부분을 합하여 제작될 수 있으며, 각각의 부분은 2차원으로 패턴형성된 표면을 가지고 2차원으로 서로 짝지어질 수 있도록 적합화되어 있다.
하나의 중요한 변수는 의도된 목적을 위해 실제로 기능할 수 있는 어레이 중 캔틸레버의 분량 또는 백분율이다. 일부 경우에, 일부의 캔틸레버는 불완전하게 형성될 수 있거나, 아니면 형성 후 손상될 수 있다. 캔틸레버 수율은 사용가능한 캔틸레버의 상기 백분율을 반영한다. 바람직하게는, 상기 어레이는 적어도 75%, 또는 적어도 80%, 또는 적어도 90%, 또는 적어도 95%, 또는 더욱 바람직하게는 적어도 약 98%, 또는 더욱 바람직하게는 적어도 99%의 캔틸레버 수율로 특징된다. 캔틸레버 수율을 특징화함에 있어서, 내부 캔틸레버에 비하여 모서리의 가공에 의해 손상되는, 열의 말단에 있는 캔틸레버는 무시될 수 있다. 예를 들어, 가운데 75%가 측정될 수 있다. 많은 경우에, 모서리 효과가 웨이퍼 제작에 공지되어 있는 바, 제작은 모서리보다는 가운데에서 더 잘 수행될 것이다. 결함 밀도는 일부 경우에, 중앙으로부터 모서리로 이동함에 따라 증가할 것이다.
어레이는 팁들이 실질적으로 평면인 표면과 접촉할 때 상기 어레이의 팁-아닌 요소들의 실질적인 접촉을 방지하도록 적합화될 수 있다. 예를 들어, 캔틸레버 암은 표면과 접촉해서는 안되며, 따라서 예를 들어 굽힘 등에 의해 적합화될 수 있다. 예를 들어 긴 팁을 포함하는 팁들이 이를 위해 또한 적합화될 수 있다. 상기 결과를 수득하는 데 유용할 수 있는 인자들은 긴 팁들의 사용, 캔틸레버 암의 굽어짐, 팁 평탄화, 열 평탄화, 및 모든 차원에서 캔틸레버의 평탄화를 포함한다. 인자들의 하나 이상의 조합이 사용될 수 있다.
캔틸레버 팁들은 당 분야에 통상적인 것보다 길 수 있다. 예를 들어, 팁들은 캔틸레버에 비하여 평균 적어도 4 마이크로미터의 정점 높이를 가질 수 있고, 필요하다면, 팁들은 캔틸레버에 비하여 평균 적어도 7 마이크로미터의 정점 높이를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 팁 정점 높이는 적어도 10 마이크로미터, 또는 적어도 15 마이크로미터, 또는 적어도 20 마이크로미터일 수 있다. 특정 상한이 존재하지 않으며, 당 분야에 공지된 기술 및 개선이 사용될 수 있다. 이러한 긴 길이는 팁만이 표면에 접촉할 것을 보장하는 데 도움을 줄 수 있다. 정점 높이는 다수의 팁 정점 높이의 평균으로 취할 수 있고, 일반적으로 정점 높이는 팁들 간에 실질적으로 변동하지 않도록 설계된다. 실시예에 나타낸 방법들을 포함하여 당 분야에 공지된 방법들이 팁 정점 높이를 측정하기 위해 사용될 수 있다.
어레이를 위한 변수를 측정함에 있어서, 평균 측정이 사용될 수 있다. 평균 측정은 예를 들어 대표적인 사진 또는 현미경사진을 검토하는 것을 포함하여, 당 분야에 공지된 방법에 의해 수득될 수 있다. 전체 어레이를 측정할 필요는 없는데, 이는 비현실적일 수 있기 때문이다.
바람직한 실시양태는 아니지만, 일부 실시양태에서 팁이 없는 캔틸레버가 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시양태는 (i) 복수의 캔틸레버의 2-차원 어레이를 포함하며, 여기서 상기 어레이가 복수의 바닥 열을 포함하고, 각각의 바닥 열은 상기 바닥 열로부터 뻗어있는 복수의 캔틸레버를 포함하며, 상기 각각의 캔틸레버는 팁이 없는 캔틸레버이며, 상기 캔틸레버는 그들이 바닥으로부터 일정 각으로 굽어져 있는 것인 물품을 제공한다.
또한, 상기 캔틸레버는 패턴형성될 표면을 향하여 굽어지는 것을 포함하여 굽어질 수 있다. 굽어짐을 유도하기 위해 당 분야에 공지된 방법이 사용될 수 있다. 캔틸레버는 상기 바닥 및 지지체로부터 멀어지는 각으로 굽어질 수 있다. 상기 캔틸레버는 캔틸레버의 굽어짐에 적합화된 다수의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 시차 열 팽창 또는 캔틸레버 비모르프(bimorph)가 상기 캔틸레버를 구부리는 데 사용될 수 있다. 캔틸레버 굽어짐은 적어도 2종의 상이한 물질을 사용하여 유도될 수 있다. 별법으로, 같은 물질을 사용하지만 상이한 응력으로 캔틸레버 굽어짐을 제공할 수 있다. 또 다른 방법은 하나의 물질을 포함하는 캔틸레버 위에 같은 물질이지만 고유 응력 구배를 갖는 제2 층을 침착시키는 것이다. 별법으로, 캔틸레버의 표면을 산화시킬 수 있다. 캔틸레버는 그들의 바닥으로부터 예를 들어 적어도 5°의 각으로, 또는 그들의 바닥으로부터 적어도 10°, 또는 그들의 바닥으로부터 적어도 15°의 각으로 굽어질 수 있다. 실시예에 나타낸 방법을 포함하여 당 분야에 공지된 방법이 이를 측정하는 데 사용될 수 있다. 각의 평균 값이 사용될 수 있다. 상기 캔틸레버는 평균 약 10 마이크로미터 내지 약 50 마이크로미터, 또는 약 15 마이크로미터 내지 약 40 마이크로미터 굽어질 수 있다. 이러한 굽어짐의 거리는 실시예에 나타낸 방법을 포함하여 당 분야에 공지된 방법으로 측정될 수 있다. 평균 거리가 사용될 수 있다. 상기 굽어짐은 기판 조도 및 형태학 및 어레이 내 팁의 오정렬에 대하여 보다 큰 내성을 초래할 수 있으므로, 예를 들어 약 ±20 마이크로미터 이하 또는 약 ±10 마이크로미터 이하의 오정렬이 보상될 수 있다.
구부림을 용이하게 하기 위해, 캔틸레버는 2개의 주요 층 및 임의의 접착 층과 같은 다수의 층을 포함할 수 있고, 예를 들어 비모르프 캔틸레버일 수 있다. 캔틸레버는 상기 캔틸레버의 팁 측 위에 금속 또는 금속 산화물로 피복될 수 있다. 금속은 상기 금속 또는 금속 산화물이 캔틸레버를 열로 구부리는 데 도움을 주기 유용하다면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 금속은 금과 같은 비활성 금속일 수 있다.
바람직한 실시양태에서, 어레이는 캔틸레버가 표면을 향해서 굽어지고 또한 단지 영상화를 위해 사용되는 팁에 비하여 통상의 것보다 긴 팁을 포함하도록 적합화될 수 있다.
팁은 사용 전에 제작 및 날카롭게 될 수 있으며 예를 들어 100 nm 미만의 평균 곡률 반경을 가질 수 있다. 평균 곡률 반경은 예를 들어 10 nm 내지 100 nm, 또는 20 nm 내지 100 nm, 또는 30 nm 내지 90 nm이다. 팁의 모양은 예를 들어 피라미드형, 원뿔형, 쐐기 및 박스형을 포함하여 다양할 수 있다. 팁은 중공 팁이거나 중공 팁을 포함하는 구멍, 및 팁의 말단을 통과하는 미세유체 채널을 이용한 미세제작을 통해 형성된 천공 팁을 포함할 수 있다. 유체 물질은 팁의 말단에 저장되거나 팁을 통해 흐를 수 있다.
팁의 기하학은 다양할 수 있고, 예를 들어 중실 팁 또는 중공 팁일 수 있다. WO 2005/115630(PCT/US2005/014899)(Henderson et al.)은 표면 위에 물질을 침착시키기 위한 팁의 기하학을 기재하고 있으며, 이는 본원에 사용될 수 있다.
상기 2차원 어레이는 두 차원 (즉, 길이 차원 및 폭 차원) 각각에서의 팁 간격으로 특징될 수 있다. 팁 간격은 예를 들어, 팁 어레이 제작 방법으로부터 채택되거나 제작된 어레이로부터 직접 관찰될 수 있다. 팁 간격은 높은 밀도의 팁과 캔틸레버를 제공하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 팁 밀도는 평방 인치 당 적어도 1,000개, 또는 평방 인치 당 적어도 10,000개, 또는 평방 인치 당 적어도 40,000개, 또는 평방 인치 당 적어도 70,000개일 수 있다. 상기 어레이는 2차원 어레이의 제1 차원에서 300 마이크로미터 미만, 그리고 상기 2차원 어레이의 제2 차원에서 300 마이크로미터 미만의 팁 간격으로 특징될 수 있다. 훨씬 더 높은 밀도를 수득하기 위해, 팁 간격은 예를 들어, 하나의 차원에서 약 200 마이크로미터 미만, 그리고 또 다른 차원에서 약 100 마이크로미터 미만, 또는 약 50 마이크로미터 미만일 수 있다. 별법으로, 팁 간격은 예를 들어 하나의 차원에서 100 마이크로미터 미만, 그리고 제2 방향에서 25 마이크로미터 미만일 수 있다. 상기 어레이는 2차원 어레이의 적어도 하나의 차원에서 100 마이크로미터 이하의 팁 간격으로 특징될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 팁 간격은 하나의 차원에서 약 70 마이크로미터 내지 약 110 마이크로미터, 그리고 제2 차원에서 약 5 마이크로미터 내지 약 35 마이크로미터일 수 있다. 제작 방법은 시간 경과에 따라 더 조밀한 팁 간격을 허용할 것이므로 팁 간격에 특정한 하한이 존재하지 않는다. 하한의 예는 1 마이크로미터, 또는 5 마이크로미터, 또는 10 마이크로미터를 포함하며, 따라서 예를 들어 팁 간격은 1 마이크로미터 내지 300 마이크로미터, 또는 1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터일 수 있다.
2차원 어레이 위의 캔틸레버의 수는 특별히 제한되지 않지만, 적어도 약 3개, 적어도 약 5개, 적어도 약 250개, 또는 적어도 약 1,000개, 또는 적어도 약 10,000개, 또는 적어도 약 50,000개, 또는 적어도 약 55,000개, 또는 적어도 약 100,000개, 또는 약 25,000개 내지 약 75,000개일 수 있다. 그 수는 특정 기기 및 패턴형성을 위한 공간 제약에 허용되는 양까지 증가될 수 있다. 예를 들어 제작의 용이함, 품질 및 특정 밀도 요구와 같은 인자들을 가중하여 특정 응용에 대하여 적합한 균형이 이루어질 수 있다.
팁들은 일관성있게 표면에 닿기 위해 일관된 간격을 갖도록 설계될 수 있다. 예를 들어 각각의 팁은 팁 말단을 지지체에 연결하는 거리 D로 특징될 수 있고, 상기 팁 어레이는 팁 말단의 지지체에 이르는 평균 거리 D'로 특징되며, 팁의 적어도 90%에 있어서, D는 D'의 50 마이크로미터 내에 있다. 또 다른 실시양태에서, 팁의 적어도 90%에 있어서, D는 D'의 10 마이크로미터 내에 있다. 팁 말단과 지지체 사이의 거리는 예를 들어 약 10 마이크로미터 내지 약 50 마이크로미터일 수 있다. 상기 거리는 예를 들어, 바닥 열 높이, 굽어짐의 거리, 및 팁 높이의 부가적 조합을 포함할 수 있다.
바닥 열 길이는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 바닥 열은 적어도 약 1 mm의 평균 길이를 가질 수 있다. 바닥 열에 대한 평균 길이는 예를 들어, 약 0.1 mm 내지 약 30 mm, 또는 약 0.1 mm 내지 약 15 mm, 또는 약 0.1 mm 내지 약 5 mm, 또는 약 0.5 mm 내지 약 3 mm일 수 있다.
바닥 열은 지지체에 대하여 적어도 약 5 마이크로미터의 높이를 가질 수 있다. 이 높이는 특별히 제한되지 않지만, 적절한 캔틸레버 굽어짐과 함께 사용되도록 적합화될 수 있다.
캔틸레버 힘 상수는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 캔틸레버는 약 0.001 N/m 내지 약 10 N/m의 평균 힘 상수, 그렇지 않으면 약 0.05 N/m 내지 약 1 N/m의 평균 힘 상수, 그렇지 않으면 약 0.1 N/m 내지 약 1 N/m, 또는 약 0.1 N/m 내지 약 0.6 N/m의 평균 힘 상수를 가질 수 있다.
캔틸레버를 바닥에 접착시키기 위해 다양한 방법이 사용될 수 있으며, 그 방법은 특별히 제한되지 않는다. 접착 방법은 예를 들어 문헌[Madou, Fundamentals of Microfabrication, 2nd Ed., pages 484-494]에 기재되어 있는데, 이는 예를 들어 양극 접착, 정전기 접착 또는 말로리 (Mallory) 방법으로도 알려진 전기장-보조 열 접착을 기재하고 있다. 낮은 공정 온도를 제공하는 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 캔틸레버는 비-접착제 접착에 의해 바닥에 결합될 수 있다. 접착의 예는 정전기 접착, 전기장-보조 열 접착, 규소 융합 접착, 중간층을 이용하는 열 접착, 공융 접착, 금 확산 접착, 금 열압축 접착, 접착제 접착, 및 유리 프릿 접착을 포함한다.
캔틸레버는 그들이 힘 피드백을 포함하는 피드백에 적합화되지 않도록 설계될 수 있다. 별법으로, 적어도 하나의 캔틸레버가 힘 피드백을 포함하는 피드백에 적합화될 수 있다. 또는 실질적으로 모든 캔틸레버가 힘 피드백을 포함하는 피드백에 적합화될 수 있다. 예를 들어, 90%를 초과, 또는 95%를 초과, 또는 99%를 초과하는 캔틸레버가 힘 피드백을 포함하는 피드백에 적합화될 수 있다.
캔틸레버는 정전기적 결합에 의해 바닥에 결합될 수 있다.
캔틸레버는 예를 들어 규소, 폴리결정성 규소, 질화 규소, 또는 규소 풍부한 질화물을 포함하여, AFM 프로브에 사용되는 재료로 제조될 수 있다. 캔틸레버는 길이, 폭 및 높이 또는 두께를 가질 수 있다. 상기 길이는 예를 들어 약 10 마이크로미터 내지 약 80 마이크로미터, 또는 약 25 마이크로미터 내지 약 65 마이크로미터일 수 있다. 폭은 예를 들어 5 마이크로미터 내지 약 25 마이크로미터, 또는 약 10 마이크로미터 내지 약 20 마이크로미터일 수 있다. 두께는 예를 들어 100 nm 내지 약 700 nm, 또는 약 250 nm 내지 약 550 nm일 수 있다. 팁이 없는 캔틸레버가 상기 어레이, 어레이의 제조 방법, 및 어레이를 사용하는 방법에 사용될 수 있다.
캔틸레버는 바닥 열 위에 지지될 수 있고, 상기 바닥 열은 다시 어레이를 위한 더 큰 지지체 위에 지지될 수 있다. 바닥 열은 어레이를 위한 더 큰 지지체로부터 뻗어있을 수 있다. 상기 어레이 지지체는 약 2 평방 cm 이하, 그렇지 않으면 약 0.5 평방 cm 내지 약 1.5 평방 cm인 표면적으로 특징될 수 있다. 그 크기는 기기와 짝을 이루기 위해 필요한 대로 조절될 수 있다.
어레이는 수동적인 펜 또는 능동적인의 펜의 사용을 위해 적합화될 수 있다. 각 팁의 조절은 예를 들어 압전기, 전기용량, 또는 열전기적 작동에 의해 수행될 수 있다.
하나의 실시양태에서, 인접한 팁들 사이의 거리는 예를 들어 x-방향에서 5 내지 100 nm, y-방향에서 50 마이크로미터 내지 150 마이크로미터일 수 있다. 예를 들어, 하기 실시예에서, 밝은 도트들은 x-방향에서 20 nm 간격을 두고 보이며, 이는 두 인접한 팁들 사이와 같은 거리이다. 상기 도트들은 y-방향으로 90 μm 간격을 두고 있으며, 이는 캔틸레버의 총 길이이다.
잉크
팁들은 패턴형성 화합물 또는 잉크 물질로 피복될 수 있다. 피복은 특별히 제한되지 않으며; 상기 패턴형성 화합물 또는 잉크 물질은 팁 말단에 배치될 수 있다. 패턴 형성 화합물 및 물질은 나노석판술 인쇄의 분야에 공지되어 있으며, 유기 화합물 및 무기 물질, 화학약품, 생물학적 물질, 비반응성 물질 및 반응성 물질, 분자 화합물 및 입자, 나노입자, 자가 조립된 단일층을 형성하는 물질, 용해성 화합물, 중합체, 세라믹, 금속, 자성 물질, 금속 산화물, 주족 원소, 화합물 및 물질의 혼합물, 전도성 중합체, 핵산 물질, RNA, DNA, PNA, 단백질 및 펩티드, 항체, 효소, 지질, 탄수화물을 포함하는 생체 분자, 및 심지어 바이러스 같은 유기체를 포함한다. 본 출원에 기재된 미국 특허 제6,827,979호를 포함하는 참고문헌이, 사용될 수 있는 다수의 패턴형성 화합물을 기재하고 있다. 티올 및 술피드를 포함하는 황-함유 화합물이 사용될 수 있다.
침착될 물질, 또는 잉크가 당 분야에 공지되어 있고, 예를 들어 관능기를 가진 티올을 포함하는, 예를 들어 관능기를 갖는 유기 화합물일 수 있다. 예를 들어, 잉크는 X-R-Y로 표시될 수 있는데, 여기서 Y는 기판 표면과 상호작용하도록 적합화된 관능기이고, R 은 알킬렌 기와 같은 스페이서 기이며, X는 아미노, 카르복실산, 히드록실, 아미노 또는 알킬과 같은 기이다.
증착
증착은 당 분야에 공지되어 있다. 예를 들어 미국 특허 제6,827,979호(Mirkin et al.)를 참조하라. 캔틸레버가 팁들을 포함하는, 캔틸레버의 어레이는 팁 위에 물질을 증착시키기에 적합화될 수 있다.
예를 들어, 하나의 실시양태는 팁들을 포함하는 캔틸레버의 적어도 하나의 어레이를 포함하며, 여기서 상기 팁들을 포함하는 캔틸레버가 팁으로부터 기판 위에 물질을 침착시키기에 적합화되고, 어레이가 평방 인치 당 적어도 1,000 개의 팁 밀도를 가지며, 상기 어레이는 기판 위의 물질의 비-특이적 침착을 실질적으로 방지하도록 제한된 양으로 상기 물질로 균일하게 피복된 것인 물품을 제공한다.
또 다른 실시양태는 팁들을 포함하는 캔틸레버의 어레이 위에 적어도 1종의 물질을 증기 피복하는 것을 포함하며, 여기서 상기 팁들을 포함하는 캔틸레버는 평방 인치 당 적어도 1,000 개의 팁 밀도를 가지며, 증기 피복된 물질의 양은 기판 위의 물질의 비특이적 침착을 실질적으로 방지하도록 제한된다.
팁 위에 잉크를 침착시키는 것도 예를 들어 미국 특허 제7,034,854호 및 또한 2008년 8월 8일에 출원된 미국 특허 출원 12/222,464(Mirkin et al.)에 기재되어 있다.
팁 위에 물질을 침착시키는 것은 팁으로부터 기판으로 물질의 개선된 침착을 제공하는 균일한 침착일 수 있다. 예를 들어, 비특이적 침착의 양이 최소화되거나 실질적으로 없어질 수 있다. 2차원 고밀도 어레이를 포함하는, 고밀도 팁 어레이가 사용될 수 있다.
팁은 나노스코프 팁, 주사 프로브 현미경 팁, 원자력 현미경 팁, 중공 팁, 또는 중실 팁일 수 있다.
증착은 1기압 미만의 압력에서 수행될 수 있다. 압력은 예를 들어 300 mtorr 이하일 수 있지만, 상기 압력은 목표하는 압력이 팁을 고르게 피복하는데 사용되는 화합물의 융점을 낮출 수 있기만 하다면, 760 torr 미만의 임의 압력일 수 있다.
평탄화
2008년 2월 5일에 출원된 미국 가출원 61/026,196(Haaheim et al.)은 다양한 실시양태에서 평탄화 방법 및 소프트웨어 및 기기사용을 기재하고 있으며, 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.
또 다른 평탄화 실시양태는, 팁들을 그 위에 포함하는 캔틸레버의 적어도 하나의 어레이를 제공하고, 기판을 제공하고, 상기 어레이와 기판을 서로에 대하여 평탄화하는 것을 포함하며, 여기서 상기 캔틸레버가 관찰시 팁 부근에 적어도 하나의 상대적으로 밝은 반점을 포함하고, 상기 팁 부근의 상대적으로 밝은 반점이 팁과 기판의 접촉을 결정하기 위해 관찰되는 것인 방법을 제공한다.
또 다른 평탄화 실시양태는, 팁들을 그 위에 포함하는 캔틸레버의 적어도 하나의 어레이를 제공하고, 기판을 제공하고, 상기 어레이 및/또는 기판을 서로에 대하여 가까이 움직이는 것을 포함하며, 여기서 상기 캔틸레버가 어레이 내 뷰포트를 통해 관찰시 팁 부근에 적어도 2개의 상대적으로 밝은 반점을 포함하고, 상기 팁 부근의 상대적으로 밝은 반점들이 팁과 기판의 접촉을 결정하기 위해 관찰되는 것인 방법을 제공한다.
또 다른 평탄화 실시양태는, 팁들을 그 위에 포함하는 캔틸레버의 적어도 하나의 어레이를 제공하고, 기판을 제공하고, 상기 어레이 및/또는 기판을 서로에 대하여 가까이 움직이는 것을 포함하며, 여기서 상기 캔틸레버가 어레이 내 뷰포트를 통해 관찰시 팁 부근에 적어도 하나의 표지를 포함하고, 상기 팁 부근의 표지의 밝기가 팁과 기판의 접촉을 결정하기 위해 관찰되는 것인 방법을 제공한다.
하나의 말단에 적어도 하나의 팁을 포함하는 캔틸레버가 제공될 수 있으며, 이는, 관찰시 상기 팁 부근에 적어도 하나의 상대적으로 밝은 반점, 또는 표지를 포함한다. 상기 캔틸레버는 캔틸레버의 어레이의 부분일 수 있다. 캔틸레버 및 팁은 예를 들어 AFM 캔틸레버 또는 AFM 팁일 수 있다.
캔틸레버 및 기판은 서로에 대하여 더 가까이 움직일 수 있다.
팁이 기판 표면과 접촉할 때, 팁과 기판의 접촉을 결정하기 위해 상대적으로 밝은 반점이 관찰될 수 있다. 상대적으로 밝은 반점은 더 희미해질 수 있고, 팁이 기판 내로 구동됨에 따라 어떤 지점에서 완전히 사라진다.
표지, 또는 상대적으로 밝은 반점은, 적어도 2개의 붉은 상대적으로 밝은 반점을 포함하여, 2개의 상대적으로 밝은 반점일 수 있다.
밝기의 변화는 기판에 대하여 약 1 마이크로미터 내지 약 10 마이크로미터, 또는 약 3 마이크로미터 내지 약 5 마이크로미터의 움직임을 나타낼 수 있다.
상기 어레이는 2차원 어레이의 부분일 수 있고, 상기 어레이는, 상기 표지 및 밝은 반점을 관찰하기 위해, 적어도 하나의 뷰포트, 또는 적어도 6개의 뷰포트를 포함할 수 있다.
평탄화 단계는 적어도 하나의 거시적 평탄화 단계 및 적어도 하나의 미시적 평탄화 단계를 포함하는 더 큰 공정의 부분일 수 있다.
기판 온도 조절
기판의 온도는 주의깊게 조절될 수 있다. 예를 들어 또 다른 실시양태는, 적어도 하나의 팁, 및 그 팁 위에 침착된 물질을 포함하는 적어도 하나의 캔틸레버를 제공하고, 상기 캔틸레버를 기판과 접촉시켜 상기 물질이 팁으로부터 기판 위에 침착되게 함으로써 물질 침착물을 형성하는 것을 포함하고, 여기서 상기 기판의 온도는 물질 침착물의 크기를 조절하도록 적합화되는 것인 방법을 제공한다.
또 다른 실시양태는 적어도 하나의 열 싱크, 적어도 하나의 가열 또는 냉각 스테이지, 적어도 하나의 진공 시스템을 포함하는 장치를 제공하며, 상기 장치는 물질이 침착될 기판과 함께 기능하고 기판 온도를 침착 도중 실질적으로 일정하게 유지하도록 적합화된다.
또 다른 실시양태는, 기판에 직접 부착된 장치를 사용하여 기판의 온도를 조절함으로써, 팁으로부터 기판에 물질의 침착 속도를 조절하는 것을 포함한다.
기판의 온도는 물질 침착물의 크기를 조절하도록 적합화될 수 있다. 예를 들어, 기판의 온도는 25℃ 미만 또는 그를 초과하도록 적합화될 수 있다. 온도를 낮춤으로써, 물질 침착물의 크기는 감소되거나 적어질 수 있다. 특히, 크기는 침착이 25℃에서 수행될 경우의 크기에 비하여 더 작아질 수 있다. 예를 들어, 직경 또는 폭이 감소될 수 있다. 기판 온도는 예를 들어 20℃ 미만, 또는 15℃ 미만, 또는 10℃ 미만으로 낮아질 수 있다. 온도 범위는 예를 들어 5℃ 내지 25℃일 수 있다.
뿐만 아니라, 일정한 온도 수준이 수득될 수 있다. 예를 들어, 기판의 온도는 적어도 30분, 또는 적어도 1시간, 또는 적어도 5시간, 또는 적어도 10시간, 또는 적어도 20시간, 또는 적어도 48시간 동안 실질적으로 일정한 온도를 제공하도록 적합화될 수 있다.
기판의 온도를 조절하기 위해 장치가 사용될 수 있다. 예를 들어, 장치는 적어도 하나의 열 싱크, 적어도 하나의 가열 스테이지 또는 적어도 하나의 냉각 스테이지, 적어도 하나의 진공 시스템을 포함할 수 있다. 진공 시스템이 상기 기판을 유지하도록 사용될 수 있다. 상기 장치는 기판에 직접 접촉할 수 있다. 열 싱크는 예를 들어 알루미늄, 구리 또는 다른 금속과 같은 매우 열 전도성인 금속을 포함할 수 있다. 열 싱크는 적층되거나 이격된 금속성 블럭들을 포함할 수 있고, 돌출부(fin)를 포함할 수 있다. 열전기 냉각기 또는 가열기가 사용될 수 있다. 펠티에 (Peltier) 장치가 당 분야에 공지되어 있다. 예를 들어 미국 특허 제5,171,992호 (Claber) 및 7,238,294호(Koops)를 참조하라. 장치는 예를 들어 기판을 위한 환경 챔버와 함께 사용하는 것을 포함하는, 나노석판술 기기와 함께 사용되도록 적합화될 수 있다.
온도 조절을 초래하는 전압 및 전류는 펄스 전류 또는 실질적으로 일정한 전류로 사용될 수 있다.
기판의 온도는, 침착된 물질이 약 500 nm 이하, 또는 약 100 nm 이하의 가로 차원을 가질 수 있도록 적합화될 수 있다. 범위는 예를 들어 약 15 nm 내지 약 5 마이크로미터, 또는 약 50 nm 내지 약 1 마이크로미터일 수 있다. 침착된 물질은 도트 또는 선일 수 있으며, 가로 차원은 도트 직경 또는 선의 폭일 수 있다.
온도 조절을 포함하는 시료 스테이지는 예를 들어, 그 사이에 TEC(열 전기 냉각기, Thermo Electric Cooler)가 놓여 있는, 상단에 더 작은 금속 캡을 갖는 구리의 기계절단된 조각일 수 있다. 상기 상단의 조각은 예를 들어 그 안에 파묻힌 RTD, 및 시료를 제자리에 유지하도록 진공을 사용하는 것을 허용하는 중앙의 상단 위에 구멍을 가질 수 있다. 상기 금속 부분은 유사한 열적 특성을 갖는 임의의 재료로 만들어질 수 있다.
돌출부는 냉각 모드에 있을 때 주위 공기에 대하여 큰 표면적을 드러냄으로써 시료 스테이지의 하부의 열 확산 속도를 증가시키는 데 사용된다. 상단의 판은 이용가능한 표면의 가장 적은 면적을 갖는다; 이는 고온 모드일 때 열이 방사되는 것을 방지하고, 냉각 모드일 때 냉기가 주위 온도를 흡수하는 것을 방지한다. 이러한 디자인은; 시료의 모서리 및 바로 바깥쪽 면적을 절연체로 덮는 것으로부터 유익을 얻을 것이다. 에어로겔이 사용될 수 있다.
제어 박스는 기성품인 와틀로 (Watlow) PID 조절기, RTD 온도 센서, 12V DC 전력 공급장치, 및 증폭기 회로로 구성될 수 있다. 2개의 NPN 트랜지스터를 사용하여 증폭기를 고안할 수 있다. 와틀로 조절기의 출력은 상기 2개의 트랜지스터 증폭기를 구동할 수 있다. 증폭기는 낮은 노이즈 스테이지를 제공하는 거의 일정한 전류로 TEC(열 전기 냉각기)를 구동시킬 수 있다.
상기 스테이지는 가열 및 냉각의 양자에 사용될 수 있다. TEC는 가열을 위해서는 고온 면이 위로 가게, 냉각을 위해서는 냉각 면이 위로 가게 위치할 수 있다.
균일한 기판
하나의 실시양태는 적어도 1 평방 밀리미터의 표면적을 제공하는 적어도 하나의 표면을 포함하는 적어도 하나의 고체 기판을 포함하고, 상기 표면이 상기 표면적의 적어도 90%, 또는 적어도 95%, 또는 적어도 99%를 덮는 물질 침착물의 균일한 어레이를 포함하는 물품을 제공한다. 물질 침착물은 상기 물질 침착물 주위 모서리 영역을 갖는 표면적의 내부에 영역을 정의할 수 있으며, 여기서 모서리 영역은 물질 침착물을 포함하지 않는다. 모서리 영역의 양은 예를 들어 표면적의 10% 이하, 또는 5% 이하, 또는 1% 이하일 수 있다. 예를 들어, 표면적은 100 평방 단위일 수 있고, 상기 표면적의 적어도 90 평방 단위가 균일한 침착물로 채워질 수 있다. 모서리에 있는 나머지 10 평방 단위는 침착물이 없을 수 있다.
상기 물품은 또한 표면 위에 적어도 하나의 세포를 포함할 수 있다.
상기 물품은 물질 침착물을 나노석판술 인쇄로 직접 기록하는 단계를 포함하는 단계에 의해 제조될 수 있다.
또 다른 실시양태는 적어도 1 평방 밀리미터의 표면적을 제공하는 적어도 하나의 표면을 포함하는 적어도 하나의 고체 기판을 포함하고, 상기 표면이 상기 표면적의 적어도 95%를 덮는 물질 침착물의 균일한 어레이를 포함하는 물품을 제공한다. 이를 모서리-대-모서리 패턴형성이라 부를 수 있다.
또 다른 실시양태는 적어도 1 평방 밀리미터의 표면적을 제공하는 적어도 하나의 표면을 포함하는 적어도 하나의 고체 기판을 포함하고, 상기 표면이 상기 표면적의 적어도 99%를 덮는 물질 침착물의 균일한 어레이를 포함하는 물품을 제공한다. 이를 모서리-대-모서리 패턴형성이라 부를 수 있다.
상기 침착물은 하나의 실시양태에서 도트이고, 상기 침착물은 또 다른 실시양태에서는 선이다.
하나의 실시양태에서, 물질 침착물은 실질적으로 원형인 침착물을 포함한다.
하나의 실시양태에서, 물질 침착물은 약 1 마이크로미터 미만의 평균 직경으로 특징된다.
하나의 실시양태에서, 물질 침착물은 약 500 nm 미만의 평균 직경으로 특징된다.
하나의 실시양태에서, 물질 침착물은 약 500 nm 미만이지만, 약 50 nm를 초과하는 평균 직경으로 특징된다.
하나의 실시양태에서, 물질 침착물은 약 1 마이크로미터 미만의 평균 직경으로 특징된다.
하나의 실시양태에서, 물질 침착물은 중심에서 중심까지 측정할 때, 약 1 마이크로미터 미만의 피치로 특징된다.
하나의 실시양태에서, 물질 침착물은 중심에서 중심까지 측정할 때, 약 500 nm 미만의 피치로 특징된다.
하나의 실시양태에서, 표면적은 적어도 5 mm2이다.
하나의 실시양태에서, 표면적은 적어도 10 mm2이다.
하나의 실시양태에서 기판은 표식을 갖지 않을 수 있다. 예를 들어, 침착물의 열과 행이 표지될 필요가 없다.
세포 공학
생물학적 세포 및 세포 생물학이 당 분야에 일반적으로 알려져 있다. 예를 들어 문헌[Cell Biology, 2nd Ed., Pollard & Earnshaw, 2008]을 참조하라. 세포는 원핵 또는 진핵 세포일 수 있다. 세포는 체세포일 수 있다. 세포는 전능성, 다능성, 중복성, 단능성일 수 있고, 자가-재생성이고/거나 분화가능하다. 세포는 전구 세포, 말단에 분화된 세포 등일 수 있다. 본원에 기재된 방법 및 장치에 의해 광범하게 다양한 세포가 연구될 수 있고 상업적으로 사용될 수 있다.
뿐만 아니라, 줄기 세포 및 줄기 세포 생물학이 당 분야에 일반적으로 알려져 있다. 예를 들어 문헌[Essentials of Stem Cell Biology, ed. R. Lanza, 2006; Ferreira et al., Cell Stem Cell 3, August 7, 2008, 136-146]을 참조하라. 줄기 세포의 예는 성인 줄기 세포 및 배아 줄기 세포; 인체 줄기 세포; 포유류 줄기 세포; 쥐 줄기 세포; 조혈 줄기 세포, 신경 줄기 세포, 근육 줄기 세포; 중간엽 줄기 세포; 피부 줄기 세포; 및 배아 줄기 세포를 비제한적으로 포함한다. 줄기 세포는 예를 들어 간 및 췌장을 포함하는 다양한 기관으로부터 취할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 인체 배아 줄기 세포는 사용될 수 있는 줄기 세포의 종류에서 제외된다.
세포 계통은 뼈형성 계통, 연골형성 계통, 신경형성 계통, 지방생성 계통 및 근육성 계통을 비제한적으로 포함한다.
줄기 세포 증식 및 분화를 조절하기 위한 시험관 내 조건이 당 분야에 공지되어 있다.
조직 공학이 당 분야에 일반적으로 알려져 있다. 예를 들어, 문헌[Principles of Tissue Engineering, 2nd Ed., ed. Lanza et al., 2000] 및 [Burdick, Tissue Engineering, Vol 14, 00, 2008, 1-15]를 참조하라. 세포는 2차원 및 3차원 환경에서 배양될 수 있다.
패턴형성 및 줄기 세포 분화는 예를 들어 2008년 7월 12일에 출원된 영국 가출원 08127899.6 및 2008년 9월 22일에 출원된 미국 가출원 61/099,182(Curran et al.)에 기재되어 있다 (또한 2009년 7월 10일에 출원된 PCT/IB2009/006521 및 2010년 1월 14일에 출원된 미국 가출원 61/295,133을 참조하라). 다양한 세포 및 줄기 세포의 예가 거기에 기재되어 있다.
기판이 예를 들어 줄기 세포를 포함하는, 예를 들어 세포와 같은 기타 물체와 그의 접촉에 있어 균일하도록, 모서리-대-모서리 패턴형성이 바람직하다. 세포 접착, 증식 및 분화가 당 분야에 공지되어 있다. 예를 들어 문헌[Kong et al., PNAS, March 22, 2005, vol. 102, no. 12, 4300-4305] 및 [Lee et al., Nano Letters, 2004, 4, 8, 1501-1506]을 참조하라.
미세-환경에서 줄기 세포는 예를 들어 문헌[Saha et al., Current Opinion in Chemical Biology, 2007, 11, 381-387]에 기재되어 있다.
세포 접착 및 성장은 예를 들어 문헌[Arnold et al., ChemPhysChem 2004, 5, 383-388]에 기재되어 있다.
세포 형태학 및 나노패턴-유도된 변화가 예를 들어 문헌[Vim et al., Biomaterials, 2005, 26, 5405-5413]에 기재되어 있다.
실시예
DPN 변수가 개발되었고 단일 및 1D 팁을 이용하여 금 위에 다양한 잉크를 패턴형성하기 위해 조절되었으며, 이들 팁을 위해 공지된 잉크화 공정이 침지피복이다. 균일한 팁 피복이 균일한 구조의 제작을 위한 DPN에서 중요 변수이다. 그러나 이는, 팁들 위에 티올 결정이 임의 방식으로 형성됨으로 인하여 침지피복에 의해 상업적으로 이루어지기가 어려울 수 있다. 높은 처리량 및 넓은 면적의 제작을 위해 펜 팁의 균일한 잉크 피복은 2D 펜 어레이를 사용하여 이루어질 수 있다. 2D 칩은 팁과 규소 지지체를 가로지르는 티올 결정의 가교, 및 침지 및 건조 시 용매로 인하여 팁에 나타날 수도 있는 손상으로 인하여, 용액 침지-피복에 의해 피복될 수 없다.
실시예 1: 증기 피복
이들 팁을 균일하게 피복하기 위해, 증기-피복에 근거한 새로운 과정이 몇 가지 티올 잉크에 대하여 개발되었고, 상기 과정은 고체일 경우 그들의 융점 및 액체일 경우 비점에 의존한다. 2D 펜 어레이는 진공 오븐을 이용하여 증기-피복되었다. 진공 하에 팁들을 증기-피복할 때, 이는 티올 잉크의 융점을 원하는 작업 온도로 낮출 것이다. 이는 이들 분자의 기체 상으로의 증발을 용이하게 하고 상기 티올 분자들을 다시 펜 팁 위에 응결시키기 위해 수행되었다. 펜 어레이를 폐쇄된 용기에서 고체 잉크 물질 바로 위에 위치시켰다. 피복은 760 torr에서 티올 화합물의 융점에 따라 50 내지 90℃에서 수행되었다. 피복에 사용된 압력은 300 mtorr 아래였다. 피복 공정은 프로그램가능한 오븐을 사용하여 적어도 2 또는 3회 주기를 포함하였다. 제1 주기는 칩들과 티올 화합물을 주석 (tin) 위에 부하하는 것을 수반하였고, 상기 주석은 알루미늄 포일에 싸여 있었다. 오븐 챔버를 펌프로 -300 mtorr 이하의 압력에 도달하도록 감압하며, 이는 1시간 내에 도달될 수 있다. 다음, 온도를 원하는 설정점까지 점차 증가시켰다. 온도를 상기 설정점에서 3시간 동안 일정하게 유지한 다음 6 시간 동안 25℃로 점차 식혔다. 다음, 상기 계를 실온에서 밤새 두었다. 상기 전체 공정을 3회 반복하여 펜 팁의 균일한 피복을 보장하였다.
진공 하에 순환시키는 것 외에, 최소량의 필요한 티올 화합물을 칭량하였다. 상기 필요한 양은 여러 번의 실험을 진행하고 칩을 피복할 때 매번 사용된 양을 변화시켜, 2D 펜 어레이를 고르게 피복하는 데 필요한 평균 양을 찾음으로써 결정되었다. 이는 비-특이적 침착을 초래하는 임의의 과도한 피복을 방지하도록 수행되었다. 그 예를, 상기 과정을 사용하여 피복된 2D 펜 어레이의 도 5A에 나타낸다. 20 nm 간격으로 떨어져 있는 밝은 도트를 x-방향에서 볼 수 있고, 이는 두 인접한 팁들 사이와 같은 거리이다. 상기 도트는 y-방향으로 90 μm 간격을 가졌는데, 이는 캔틸레버의 총 길이이다. 도트는 상기 광학 사진에서 보듯이 전체 1 -cm2를 가로질러 균일하게 나타나는데, 여기서는 기판의 단지 일부만을 캡쳐하였다 (1100 x 670 μm2 면적).
도 5B에 나타난 것과 같이, 불균일한 도트는 불균일한 피복을 초래한다. 불균일한 피복 및 팁 위에 및 칩의 배면에 과도한 티올 분자로 인하여, 광학 사진 도 5B에서 보는 바와 같이 상이한 반점 크기 뿐만 아니라 비-특이적 침착이 시료를 가로질러 관찰된다.
실시예 2: 평탄화
균일하고 고품질의 패턴형성을 이루기 위해, 상기 언급된 사안들이 해결되어야 한다. 신규의 개선된 과정은 기판 표면에 대하여 2D 나노 프린트어레이를 평탄화하는 방법, 및 모든 팁들이 균일하지만, 거의 같은 부하로 표면과 살짝만 접촉할 것을 보장하는 방법을 조처한다. 평탄화는, 역시 나노잉크에 의해 개발된, 2D-평탄화 사용자 인터페이스와 결합된 나노잉크 엔스크립터™에 의해 수행되었다. 평탄화는 두 단계로 수행되었는데, 하나는 거시적-규모로, 하나는 더 정밀한 광학 편향을 이용하는 미시적-규모로 수행되었다. 먼저, 거시적 규모의 평탄화는 스캐너의 z-축 모터를 사용하여 2D 칩의 기판에 대한 평행성을 감시함으로써 수행되었다 (도 6). 이 시점에서, 2D 칩은 여전히 표면 위 수백 마이크로미터에 있다. 둘째로, 펜 캔틸레버를 표면에 대하여 구부리고, 기기의 광학을 이용하여 초점을 맞추었는데, 이 시점에서 평탄화 프로토콜과 결합된 정밀한 광학 편향을 이용하여 평탄화가 수행된다. 뷰포트(도 6의 삽입물에 나타낸 것과 같은 A1-3 및 B1-3)를 통해 캔틸레버의 변화를 모니터링하고, 이 변화를 z-모니터 및 z-압전기로 조절하였다.
다음 단계를 사용하여 2D 칩을 패턴화될 표면에 대하여 평탄화하였다:
1) 아래에 놓인 캔틸레버가 규소 지지체 구조를 통해 관찰될 수 있는 뷰포트 상에 광학기의 초점을 맞추고, 기기 상의 광학 시스템을 사용하여 캔틸레버가 평탄화되었는지 여부를 결정한다.
2) 도 7에서 뷰포트를 통해 보듯이 캔틸레버의 암(arm)은 녹색으로 보이고,역 피라미드 형태인 팁은 바닥에 2개의 붉은 도트를 갖는다.
3) z-모터를 사용하고 6개 뷰포트 중 임의의 것을 표면 위 약 수십 마이크로미터 까지 모니터링하기 위한 광학기를 사용하여, 팁이 표면에 접근할 때, 캔틸레버의 암의 색상에 이동이나 변화가 없다.
4) 접촉 전과 후에 캔틸레버 외관의 변화를 도 8에 나타낸다. 팁의 외관은 도 8A, B 및 C 각각에서 보듯이, 그들이 표면 위의 상이한 상태를 통해 움직임에 따라, 그들이 기판 표면과 처음 접촉할 때, 그리고 z-압전기가 표면의 처음 접촉을 너머 수 마이크로미터 구동될 때 변한다. 관찰된 변화는 캔틸레버의 말단에 2개의 붉은 도트에 있다. 캔틸레버가 표면 위에 있을 때, 2개의 밝은 도트가 보이지만 (도 8A), 팁들이 표면과 접촉하면, 2개의 밝은 도트가 희미해지기 시작한다 (도 8B). 이시점에서, 팁들은 표면과 막 닿기 시작한다. 마지막으로, 팁들이 표면 위로 더 구동될 때, 2개의 붉은 도트는 완전히 사라진다. 처음 닿은 데부터 붉은 도트가 완전히 희미해진 데 까지의 위치는 3 내지 5 마이크로미터이며, 정확한 양은 칩들 간에 변한다. 상기 신규의 평탄화 과정을 "악어-눈 평탄화 접근법 (Alligator-Eyes Leveling Approach)"이라 할 수 있다. 이론에 국한되지 않지만, 2개의 붉은 도트는 캔틸레버 및 팁의 디자인 및 천연광 (예를 들어 레이저 광이 아닌)으로부터 나타난다.
5) 표면과 접촉할 때, 각 뷰포트에서 캔틸레버의 상대적인 "눈들이 희미해지는" 특성을 관찰 및 기록한 후, 전체 어레이의 z-모든 위치를 기록한다. 각 뷰포트에 대하여, 팁들이 표면과 접촉하고 붉은 도트가 희미해질 때 z-프로브 값(z-압전기 위치로부터 판독)을 기록한다; 이들 두 값을 합하여 평탄화 소프트웨어 내에 입력한다. 상기 공정을 3개 뷰포트에 대하여 반복한다.
6) 평탄화 소프트웨어 내에 이들 변수를 입력한 후, "평탄화 실행"을 누르면, 각각의 z-축 모터가 입력 z프로브 값을 기반으로 그들의 위치를 정정한다. 3개 뷰포트 사이의 z-위치 차이가 1 마이크로미터 미만이 될 때까지 상기 과정을 반복한다.
7) 임의의 선택된 뷰포트를 사용하여, 상기 어레이를 z-모든 위치를 이용하여 표면과 접촉시키고, 캔틸레버가 표면에 닿을 때까지 1 마이크로미터 미만의 증분으로 최종 접근을 수행한다. 모든 뷰포트가 눈들이 희미해지는 데 같은 변화를 나타내도록 압전기를 완전히 늘리고, 모든-z를 1 마이크로미터 정도 당긴다. 이 시점에서 시스템이 평탄화되고 모든 팁들이 표면에 균일하게 닿으며, 고안된 석판술 어레이가 수행될 수 있다.
8) 상기 접근법을 이용하여, 초기 접촉 후 100 nm 내지 수 마이크로미터, 및 눈들이 완전히 보이지 않는 데 이르는 임의의 초기 z-위치가 균일한 접촉 및 균일한 제작과 함께 우수한 석판술을 초래할 수 있다. 그러나, 접촉 이전 눈들이 완전히 적색일 때, 2D 펜 어레이는 어떠한 도트도 전혀 패턴화하지 않을 수 있다. 눈들이 완전히 희미해져 상기 붉은 도트가 사라지고 팁들이 기판 내로 더 압박될 때, 도 1에 나타난 것과 같이 캔틸레버의 배면 위에 편향이 나타나기 시작하며, 이것이 뒤틀어진 패턴형성을 초래할 것이다.
9) 평탄화 후, 고안된 패턴을 수행하면, 임의의 뷰포트로부터 보이는 바 팁들은 그들이 표면으로 들어가고 그로부터 나올 때 깜박거리기 시작한다 (붉은 눈 비접촉 - 흐린 눈 접촉).
10) 평탄화 외에도, 시료 홀더 위에 시료를 로딩하는 데, 충분한 주의와 연습이 따라야 한다. 시료의 배면은 시스템을 평탄화하기 어렵게 만드는 어떠한 조각이나 작은 오염도 없어야 한다: 이는 시료 홀더 및 기판의 배면을 아세톤과 같은 유기 용매로 닦은 다음 공기 또는 질소 건조시킴으로써 이루어진다.
11) 기판은 뷰포트 2 및 3에 대하여 중앙에 있어야 한다.
12) 각각의 다른 종류의 티올 잉크를 위해 상이한 DPN 환경 조건이 사용되어야 한다.
13) 일단 2D 펜어레이가 시스템 위에 평탄화되면, 각 시료들 간에 경미한 평탄화와 함께 다양한 시료들이 동시에 제작될 수 있다.
상기 평탄화 기술은 기판에 대하여 2D 칩을 평탄화하기 위한 신속 정확한 방법을 제공함으로써 캔틸레버와 표면 사이의 균일한 접촉을 제공하며, 이는 대형 기판에 걸쳐서 재현가능하고 정확하며 균일한 패턴형성을 초래할 것이다.
도 9는 모서리에서 모서리로 5 mm2 시료를 패턴형성하는 예를 나타내며, 상기 광학 현미경 사진에서 보듯이, 전체 면적에 걸쳐 균일한 도트가 제작되고, 이는 제작 후 그 면적에 걸쳐 균일한 균질의 4 x 6 도트 어레이를 초래하도록 5 mm2 에칭된 금 기판을 나타내며, 그 아래에는 구조의 균일성을 나타내는 제작된 기판의 네 모퉁이의 부분이 있다.
도 10은 도트의 4개 행 및 12개 열의 일관된 어레이의 고해상도 광학 사진을 제공하며, 각각의 3개 열은 적색 박스 내 영역에서 상단으로부터 시작해서 바닥까지, 상이한 체류 시간(각각 10, 5, 1, 0.1초)으로 제작된 도트로 이루어져 있다. 나타난 바와 같이, 이들 도트는 같은 열 및 행에서, 그리고 어레이들 간에 균일하다. 각각의 어레이가 시작될 때, 제1 접촉점에 관련된 하나의 도트가 존재한다. 이들 광학 사진에서 보는 바와 같이, 변형, 휨, 비-특이적 침착, 음각 형태가 없고, 모든 어레이가 잘 정의되고, 직선이며 예리하다.
1D 프로브 어레이 패턴형성과 유사하게, 도트의 피치 및 크기는 2D 펜어레이를 사용하여 조절될 수 있다. 도 11은 악어-눈 평탄화 후 패턴형성 결과의 예를 제공한다. 도 11A(5Ox)의 광학 사진은 1 μm 만큼 떨어진 나노도트로 이루어진 직사각형 어레이를 나타내고, 이 규모에서, 본 발명자들은 형태가 현미경 해상도보다 작기 때문에 형태를 분석할 수 없었다. 도 11B 및 11C는 90 nm의 평균 도트 직경을 갖는 제작된 도트 어레이의 지형학적 AFM 사진 및 선 윤곽을 나타낸다. 상기 고-정밀도 평탄화 기술은 기판에 대하여 2D 펜어레이를 평탄화하기 위한 신속, 정확하며 재현가능한 프로토콜을 제공하며, 대형 기판에 걸쳐 고품질의 균일한 패턴형성을 초래한다.
실시예 4: 온도 조절에 의한 DPN 인쇄를 이용하는, 금 기판 위 티올 분자의 확산 속도의 조절
줄기 세포 분화를 위한 DPN 및 2D 펜어레이를 이용하여 금 기판 위에 티올화된 분자 나노구조를 성공적으로 제작하기 위해 몇 가지 문제점이 조처될 필요가 있다. 기판 전체에 걸쳐 균일한 반점 직경, 100 nm 미만으로 반점 직경의 재현, 재현가능한 프로토콜, 티올화된 분자 확산의 조절 (확산을 늦추거나 가속화), 및 비-특이적 침착의 최소화와 같은 중요한 변수들이 균일한 줄기 세포 분화를 수득하기 위해 조처되어야 하는 실질적으로 중요한 주요 사안이다. 이들 문제점은 티올화된 피복된 팁과 기판 시스템을 가열 또는 냉각시킬 수 있는 가열 및 냉각 스테이지를 사용함으로써 조처될 수 있다.
제1 세대:
과거에, 하나의 사안은 종종, 비제한적으로, ODT (1-옥타데칸 티올), HDT (1-헥사데칸 티올) 및 MUD (11-머캅토-1-운데칸올)과 같은, 피복된 2D 펜어레이로부터 다수의 저융점 티올 분자의 신속한 확산이었다. 이들 분자는 실온에서 신속히 확산되었으며, 이는 종종, 피복된 팁과 금 기판 사이에 최소의 가능한 접촉 점(체류 시간 0.01 sec)을 사용하여 100 nm를 초과하는 나노구조의 제작을 초래하였다. 이러한 문제점을 피하기 위해, 본 발명자들은 기판을 냉각시키는 냉각 스테이지를 고안하였다. 상기 냉각 시스템은 전력 공급, 열전기 냉각기 또는 가열기라고도 불리는 펠티에 모듈을 갖는 스테이지로서 알루미늄의 중실 블럭, 회로 판, 및 디지털 가열기 조절기로 이루어져 있다. 펄스 방식으로 전압을 인가함으로써 알루미늄 스테이지와 기판을 10℃ 미만까지 냉각시킬 수 있다. 도 12는 이러한 디자인의 요소들을 보여준다.
제1 세대 냉각 시스템은 생성된 패턴의 도트 직경 값을 감소시킬 수 있었지만, 몇 가지 문제점을 가졌다. 스테이지 냉각이 연속적이거나 변동가능하게 조절되는 방식이 아니라, 오히려 펄스 방식으로 수행되었기 때문에, 이는 패턴 제작 도중 노이즈를 도입한다. 더욱이, 온도는 수 분을 넘지 못하는 동안 16℃ 아래로 유지되지 않았고, 이는 제작 및 이미지화 도중 이동을 초래하였다. 흥미롭게도, 주위 온도보다 낮은 온도에서, 약 18℃에서, 팁으로부터 기판 표면까지 티올 분자의 확산 속도는 더 낮았고, 생성된 도트는 도 2에 나타낸 것과 같이 더 작은 직경을 나타냈다. 25℃ 및 18℃에서 5초의 체류 시간을 갖는 지형학적 AFM (TAFM) 사진은 각각 460 및 256 nm의 반점 직경을 나타낸다. 이들 어레이는 ODT 피복된 팁을 사용하여 금 박막 위에 제작되었고, 제작된 기판을 AFM 이미지화 전에 금 에칭제를 사용하여 에칭하였다. 또한, 도 13A 및 13B에서 보듯이, 13A에서는 2개의 어레이가 우측으로, 13B에서는 좌측으로 뒤틀렸는데, 이는 냉각 시스템이 원하는 온도를 유지할 수 없었기 때문이다.
제2 세대:
제1 세대 냉각 스테이지와 관련된 고유의 문제점으로 인하여, 제2 세대가 개발되었다. 연속적인 전류 흐름을 이용하여, 보다 긴 시간인 대략 40 분 동안 일정 온도를 유지할 수 있었기 때문에 제1 디자인에 비하여 대단히 개선된 것이었다. 새로 고안된 스테이지는 도 14에 나타낸 것과 같이, 적층되고 각 블럭 사이에 5 mm만큼의 간격을 갖는 알루미늄 블럭이었다. 블럭의 간격은 공기가 들어가는 것을 허용하고 열 전이를 수행한다.
제1 세대 냉각 스테이지의 결과와 유사하게, 신규 디자인은 시스템을 냉각시킬 수 있었고, 생성된 도트 직경을 감소시켰다. 지형학적 AFM 사진 및 등고선 그래프는 온도 감소와 함께 도트 직경 값의 감소가 관찰됨을 보여준다 (도 15). 4 sec 체류 시간을 이용하여, 도트 직경은 28℃에서 제작 시 610 nm로부터 10℃에서 82 nm로 감소했고, 이는 일상적으로 제작될 수 있다. 상기 크기를 수득하는 것은 제1 세대 냉각 시스템을 이용해서는 어려웠다. 더욱이, 더 짧은 체류 시간(0.4 sec)을 사용하여, 직경 값은 일상적으로 35 nm까지 더 감소될 수 있다. 흥미롭게도, 체류 시간 및 온도 양자에 대하여 거의 1차의 관계를 볼 수 있다 (도 16). (4 및 0.4 sec의 두 상이한 OT에서 MHA에 대한 R2는 각각 0.948 및 0.971이다.)
생성된 도트 직경 값에 미치는 온도의 영향이 다른 티올화된 분자에도 적용가능한지 여부를 확인하기 위해, 1-옥타데칸티올을 잉크로 사용하고, 기록 온도를 16-머캅토헥사데칸티올의 온도와 유사하게 변화시켰다. 20.9℃ 및 16℃의 기록 온도의 경우, 158 nm로부터 40 nm로의 도트 직경 값의 감소가 관찰되었다. 도트 직경 값 대 온도의 그래프는 0.9998의 R2 값을 생성하였다.
제3 세대:
1 mm2 이상의 범위의 넓은 면적을 패턴형성할 때, 가장 짧은 체류 시간을 사용하는 것이 두 가지 이유에서 필요한데, 먼저는 가장 높은 처리량을 위해 모서리-대-모서리 기록 시간을 가속화하기 위한 것이고, 또한 제작 시간의 길이에 대하여 비-특이적인 침착을 방지하기 위함이며, 상기 시간은 바람직하게는 2시간 미만이고, 열적 이동 없이 제2 세대를 이용하여 수득된 최대 기록 시간은 40분이었는데, 이는 도트들 간에 280 nm 이하의 피치를 갖는 고밀도 어레이를 제작하는 데 불충분하며, 이러한 이유로 신규의 스테이지 디자인 및 재료로 인하여 임의의 이동 없이 수십 시간 동안 온도를 일정하게 유지시키는 냉각 및 가열 스테이지로 제3 세대가 설계되었다. 도 18은 가열 및 냉각 시스템을 보여준다. 열 소산을 위해 구리가 사용되며, 열 싱크는 다수의 돌출부 및 높은 표면적을 갖는다. 진공 시스템이 기판을 유지시킨다.
다양한 체류 시간을 갖는 도트의 어레이의 도 19에 나타낸 예는 ODT 피복된 2D 펜 어레이 및 신규의 냉각 시스템을 이용하여 제작되었다.
보다 높은 융점의 티올 분자는 보다 낮은 융점의 티올 분자만큼 쉽게 팁으로부터 기판 표면으로 확산되지 않으므로, 가능한 가장 짧은 체류 시간을 이용하여 확산 속도를 증가시키기 위해 다양한 설정이 필요하다. 예를 들어, 아민 관능기를 갖는 티올 분자(1-아미노운데칸 티올 (AUT))를 사용하여, 온도 증가에 의해 확산 속도가 증가되는지 여부를 시험하였다. 도 20은 다양한 온도에서 다양한 체류 시간을 사용하여 단일 팁을 이용하여 제작된 AUT 나노구조의 마찰 AFM 사진을 보여준다. 이들 사진에서 보듯이, 온도 증가는 생성된 반점 직경의 증가를 초래한다. 뿐만 아니라, 반점 직경은 도 20C 및 D에서 나타나듯이 습도 증가에 따라 증가하였다.
같은 어레이 내에 생성된 반점의, 팁들간의 어레이 균일성을 시험하기 위해, 본 발명자들은 진공 하에 증기-피복을 이용하여 AUT로 피복된 52개 팁으로 이루어진 10개의 펜 어레이를 사용하였다. 도 21에 나타나듯이, 광학 암시야 현미경 및 AFM 마찰 사진은 같은 어레이 내에서, 그리고 같은 체류 시간을 이용하는 어레이들 간에 반점 직경의 변화를 나타내지 않았다. 이들 어레이는 60℃ 및 65% 상대 습도에서 제작되었다. 더욱이, 체류 시간의 감소는 10 내지 0.1 초의 경우 각각 460 nm로부터 74 nm로의 감소를 초래하였다. 커서 윤곽은 도트 직경의 감소를 나타낸다.
더 높은 처리량을 위하여, 2D 펜어레이는 진공 하에 AUT로 증기-피복되었다. 모서리-대-모서리 균일 어레이는 도 22에서 보듯이, 60℃에서 5 mm2 기판 위에 생성되었다. 침착을 더 잘 조절하고, 평탄화 도중 또는 패턴 수행 이전 제1 접촉 점을 없애기 위해, 상기 스테이지는 원하는 티올의 확산을 극적으로 늦추도록 낮은 온도에서 수행되었으며, 이는 패턴형성 이전 임의의 침착 없이 또는 최소한의 침착으로 평탄화 및 접근을 가능하게 하고, 초기의 접근 도트가 제거될 수 있게 할 것이다. 상기 스테이지가 열적 변화로 인하여 팽창 또는 수축하는 일부 경우에, 이는 금속의 팽창으로 인하여 원래 z-높이(팁과 표면 사이의 접촉)의 차이를 초래할 수 있다. 이러한 변화는 원하는 패턴에 대하여 Z-압전기에 가해지는 전압을 증가 또는 감소시킴으로써 보상될 수 있다.
실시예 5: 균일한 표면이 중간엽 줄기 세포 반응에 미치는 효과
딥 펜 나노석판술을 사용하여 2D 나노인쇄 어레이를 갖는 금 표면 위에 나노미터 규모로 침착된 메틸 기를 갖는 티올화된 잉크(ODT)를 사용하여 5 mm2의 균일한 나노패턴을 생성하였다. 나노패턴은 280 nm의 고정된 거리(피치, dα)만큼 떨어져 있고 고정된 직경(dβ 약 65-70 nm)을 갖는 일련의 평행 도트를 포함하였다. 론자(Lonza)로부터 입수된 세포를 4개 통로로 통과시키고, 24 웰 플레이트에서 1 ml의 기본 배지(론자, 중간엽 세포 성장 배지)와 함께 웰 당 50,000개 세포의 농도로 ODT 기판과 접촉시켜 배양하였다.
시료를 중간엽 줄기 세포 표지인 STRO-1 및 뉴클레오스테민, 핵 (DAPI) 및 액틴 섬유에 대하여 염색하였다. 시료를 ODT 기판 위에 놓고 형광 안정화 탑재 배지인 벡타쉴드(Vectashield)를 올려놓았다. 상기 시료를 자이스 (Zeiss) 모델 악시오 (Axio) 이미지화 현미경으로 분석하였다. 도 23 및 24를 참조하라.
티슈노스틱 (TissueGnostic™) 분석은 각각의 세포가 중간엽 줄기 세포 표지인 STRO-1 및 뉴크레오스타민의 양자를 발현하였음을 나타냈다. 이들 결과는, 중간엽 줄기 세포 표지의 세포 형태학 및 발현을 근거로, 그 반응이 ODT 기판에 걸쳐 균일하였음을 보여준다.

Claims (21)

  1. 적어도 1 평방 밀리미터의 표면적을 제공하는 적어도 하나의 표면을 포함하는 적어도 하나의 고체 기판을 포함하며, 여기서 상기 표면이 상기 표면적의 적어도 90%를 덮는 물질 침착물의 균일한 어레이를 포함하는 것인 물품.
  2. 제1항에 있어서, 물질 침착물의 균일한 어레이가 상기 표면적의 적어도 95%를 덮는 것인 물품.
  3. 제1항에 있어서, 물질 침착물의 균일한 어레이가 상기 표면적의 적어도 99%를 덮는 것인 물품.
  4. 제1항에 있어서, 물질 침착물이 실질적으로 원형의 침착물을 포함하는 것인 물품.
  5. 제1항에 있어서, 물질 침착물이 약 1 마이크로미터 미만의 평균 직경을 특징으로 하는 것인 물품.
  6. 제1항에 있어서, 물질 침착물이 약 500 nm 미만의 평균 직경을 특징으로 하는 것인 물품.
  7. 제1항에 있어서, 물질 침착물이 약 500 nm 미만이지만 약 50 nm를 초과하는 평균 직경을 특징으로 하는 것인 물품.
  8. 제1항에 있어서, 물질 침착물이 약 1 마이크로미터 미만의 평균 직경을 특징으로 하는 것인 물품.
  9. 제1항에 있어서, 물질 침착물이 중심에서 중심까지 측정된, 약 1 마이크로미터 미만의 피치를 특징으로 하는 것인 물품.
  10. 제1항에 있어서, 물질 침착물이 중심에서 중심까지 측정된, 약 500 nm 미만의 피치를 특징으로 하는 것인 물품.
  11. 제1항에 있어서, 표면적이 적어도 5 mm2인 물품.
  12. 제1항에 있어서, 표면적이 적어도 10 mm2인 물품.
  13. 제1항에 있어서, 표면 위에 적어도 하나의 세포를 더 포함하는 물품.
  14. 제1항에 있어서, 물질 침착물을 나노석판술 인쇄로 직접 기록하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 적어도 1 평방 밀리미터의 표면적을 제공하는 적어도 하나의 표면을 포함하는 적어도 하나의 고체 기판을 포함하며, 여기서 상기 표면이 상기 표면적의 적어도 95%를 덮는 물질 침착물의 균일한 어레이를 포함하는 것인 물품.
  16. 제15항에 있어서, 상기 침착물이 도트(dot)인 물품.
  17. 제15항에 있어서, 상기 침착물이 선(line)인 물품.
  18. 적어도 1 평방 밀리미터의 표면적을 제공하는 적어도 하나의 표면을 포함하는 적어도 하나의 고체 기판을 포함하며, 여기서 상기 표면이 상기 표면적의 적어도 99%를 덮는 물질 침착물의 균일한 어레이를 포함하는 것인 물품.
  19. 제18항에 있어서, 상기 침착물이 도트인 물품.
  20. 제18항에 있어서, 상기 침착물이 선인 물품.
  21. 제1항에 있어서, 표식을 갖지 않는 물품.
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