KR20140028602A - 그래핀을 포함하는 나노 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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KR20140028602A
KR20140028602A KR1020120095171A KR20120095171A KR20140028602A KR 20140028602 A KR20140028602 A KR 20140028602A KR 1020120095171 A KR1020120095171 A KR 1020120095171A KR 20120095171 A KR20120095171 A KR 20120095171A KR 20140028602 A KR20140028602 A KR 20140028602A
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이주호
심저영
이동호
엄근선
정희정
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삼성전자주식회사
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Abstract

나노 센서 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 나노 센서는 제1 포어가 형성된 제1 절연층, 제1 절연층에 배치되며 제1 포어와 마주하는 위치에 배치되는 제2 포어 또는 갭이 형성된 그래핀층 및 그래핀층과 인접하게 배치되며 그래핀층의 위치가 식별되도록 하는 마커를 포함한다.

Description

그래핀을 포함하는 나노 센서 및 이의 제조 방법{Nano sensor including grapheme and method of manufacturing the same}
본 개시는 나노 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 마커를 포함하는 나노 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
DNA의 염기 서열을 결정하는 방법에는 맥삼-길버트 방법(Maxam-Gilbert's method), 생어 방법(Sanger's method) 등이 있다. 맥삼-길버트 방법은 DNA 염기 서열 중에서 특정 염기가 있는 곳을 무작위적으로 끊어서 길이가 서로 다른 DNA 가닥들을 전기 영동 등의 방법으로 분리하여, DNA 염기 서열을 결정하는 방법이다. 그리고, 생어 방법은 주형 DNA, DNA 중합 효소, 프라이머, 정상적인 dNTP(deoxynucleotide triphosphate) 및 ddNTP(dideoxynucleotide triphosphate)를 함께 튜브에 넣어 상보적인 DNA를 합성한다. 상보적인 DNA 합성중에 ddNTP가 첨가되면 DNA 합성은 종결되고, 길이가 서로 다른 상보적인 DNA를 얻을 수 있으며, 이를 전기 영동 등의 방법으로 분리하여, DNA 염기 서열을 결정할 수 있다. 하지만, 이러한 DNA 시퀀싱 방법들은 염기 서열을 결정하는데 많은 시간과 노력이 필요하였다. 따라서, 최근 새로운 방법으로 DNA의 염기 서열을 결정할 수 있는 차세대 DNA 시퀀싱(next generation sequencing) 방법에 대한 연구들이 활발하게 진행되고 있다.
한편, DNA 염기서열 분석에 있어서 그래핀 나노갭 전극 및 그래핀 나노포어 전극을 이용하는 방법이 각광 받고 있다. 특히, 0.34 nm이하의 해상도를 가진 나노갭 또는 나노 포어의 제작이 가능하여 DNA 베이스 1개를 분석할 수 있고 전자 이동도가 좋다는 장점이 있다. 따라서, 이를 이용하여 염기서열 분석을 하고자 하는 시도들이 진행되고 있다.
본 실시예는 공정이 용이한 그래핀을 포함하는 나노 센서 및 이의 제조 방법을 제공한다.
그리고, 본 실시예는 그래핀의 위치를 확인할 수 있는 마커가 형성된 나노 센서 및 이의 제조 방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 그래핀을 이용한 나노 센서는 제1 포어가 형성된 제1 절연층; 상기 제1 절연층에 배치되며, 상기 제1 포어와 마주하는 위치에 배치되는 제2 포어 또는 갭이 형성된 그래핀층; 및 상기 그래핀층과 인접하게 배치되며, 상기 그래핀층의 위치가 식별되도록 하는 마커;를 포함한다.
그리고, 상기 제1 포어의 크기는 상기 제2 포어의 크기 또는 상기 갭의 간격 이상일 수 있다.
또한, 상기 제2 포어 또는 갭은 상기 제1 포어의 일부와 중첩될 수 있다.
그리고, 상기 마커는 상기 제1 절연층 중 상기 그래핀층이 형성되지 않는 영역에 상기 그래핀층과 이격되게 배치될 수 있다.
그리고, 상기 마커는 상기 그래핀층을 사이에 두고 이격배치되는 제1 및 제2 마커를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 마커를 잇는 선은 상기 그래핀층을 가로지를 수 있다.
그리고, 상기 제1 및 제2 마커를 잇는 선은 상기 제2 포어 또는 상기 갭을 통과할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 마커 각각은 상기 제2 포어 또는 상기 갭으로부터 50nm 내지 500nm 거리에 위치할 수 있다.
그리고, 상기 마커는 금속 물질, 절연 물질 또는 폴리머로 형성될 수 있다.
또한, 상기 마커는 상기 제1 절연층의 일부가 식각되어 단차진 형상일 수 있다.
그리고, 상기 그래핀층의 양단상에 서로 이격되게 배치된 제1 및 제2 전극 패드;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 마커는 상기 그래핀층상에 배치될 수 있다.
그리고, 상기 마커는 상기 그래핀층 중 상기 제1 및 제2 전극 패드가 형성되지 않는 영역상에서 상기 제2 포어 또는 상기 갭을 사이에 두고 이격 배치되는 제3 및 제4 마커를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 전극 패드를 감싸며 상기 제1 절연층상에 배치되는 제2 절연층;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 마커는 상기 제2 절연층상에 배치될 수 있다.
또한, 상기 마커는, 상기 제2 절연층 중 상기 그래핀층과 중첩되지 않는 영역상에 상기 제2 포어 또는 상기 갭을 사이에 두고 이격 배치되는 제5 및 제6 마커를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 마커는, 상기 제2 절연층 중 상기 그래핀층과 중첩되는 영역상에 상기 제2 포어 또는 상기 갭을 사이에 두고 이격 배치되는 제7 및 제8 마커를 포함할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 그래핀을 이용한 나노 센서의 제조 방법은, 기판상에 제1 절연층, 그래핀층 및 금속층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 그래핀층 및 금속층을 패터닝하는 단계; 상기 제1 절연층상 또는 상기 그래핀층상에 마커를 형성하는 단계; 상기 제1 절연층상에 상기 패터닝된 그래핀층 및 금속층과 상기 마커를 덮도록 제2 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 그래핀층에 갭 또는 포어를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 갭 또는 포어의 형성은, TEM(transmission electron microscope) 또는 FIB를 이용할 수 있다.
또한, 상기 마커는 상기 갭 또는 포어를 사이에 두고 이격 배치되는 제1 및 제2 마커를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 마커의 형성은, FIB(Focused ion beam) 또는 전자빔 리소그래피(E-beam lithography)를 이용할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 그래핀층을 포함하는 장치에 마커를 형성하는 방법은, 상기 장치의 일부 구성요소를 형성하는 단계; 상기 일부 구성요소의 제1 영역상에 상기 그래핀층을 형성하는 단계; 상기 그래핀층 또는 상기 일부 구성요소의 제2 영역상에 마커를 형성하는 단계; 및 상기 장치의 나머지 구성요소를 형성하는 단계;를 포함한다.
도 1a은 실시예에 따른 나노 센서의 개략적인 구조를 보이는 평면도이다.
도 1b는 도 1a의 나노 센서의 A-A'로 자른 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 센서의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노 센서의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노 센서의 일 예를 도시한 단면도이다.
도 6a 내지 도 6f는 실시예에 따른 그래핀을 포함하는 나노 센서의 제조방법을 설명하는 도면들이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 갭을 이용한 나노 센서를 도시한 도면들이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 갭을 이용한 나노 센서를 도시한 평면도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 나노 센서에 대해 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
도 1a은 실시예에 따른 나노 센서(100)의 개략적인 구조를 보이는 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 나노 센서(100)의 A-A'로 자른 단면도이다.
도면들을 참조하면, 그래핀을 포함하는 나노 센서(100)는 제1 포어(pore)(112)가 형성된 제1 절연층(110)과, 제1 절연층(110) 위에 마련된 것으로, 제1 포어(112)와 마주하는 위치에 제2 포어(122)가 형성된 그래핀층(120)를 포함한다.
제1 절연층(110)은 질화물(nitride)로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 질화물(SiN) 등으로 이루어질 수 있다. 제1 절연층(110)은 그 두께가 약 수십 ㎚ 이하의 박막으로 형성될 수 있다. 즉, 제1 절연층(110)의 두께는 약 10 ㎚ 내지 약 100 ㎚일 수 있다. 제1 절연층(110)이 질화물로 이루어지는 경우, 후술될 제1 포어(112)가 용이하게 형성될 수 있다.
제1 포어(112)는 제1 절연층(110)내에 형성될 수 있다. 제1 포어(112)의 크기는 검출하거나, 시퀀싱(sequencing)하려는 표적 분자의 크기에 따라서 선택될 수 있다. 제1 포어(112)의 지름은 나노 크기이거나 마이크로 크기일 수 있다. 예를 들어, 제1 포어(112)의 지름은 수 ㎚ 내지 수십 ㎛, 예를 들면, 1nm 내지 100nm, 1nm 내지 5nm, 1nm 내지 10nm, 5nm 내지 10nm 또는 1nm 내지 25nm 일 수 있다. 제1 포어(112)의 형상은 도시된 형상에 제한되지 않으며, 원형, 타원형, 또는 다각형 등의 형상을 가질 수 있다.
제1 포어(112)는 예를 들어, 투과 전자 현미경(transmission electron microscope, TEM)에 의한 전자빔을 사용하여 형성될 수 있고, 집속 이온 빔(focused ion beam)나 RIE(Reactive Ion beam)에 의한 이온빔을 이용하여 형성될 수 있다.
그래핀층(120)은 제1 절연층(110)상에 형성될 수 있다. 그래핀층(120)는 그 폭이 대략, 100 nm 이하일 수 있다. 그래핀은 벌집 결정 격자 (honeycomb crystal lattice) 중에 밀집되어 채워된 (densely packed) sp2-결합된 탄소원자의 한-원자-두께 평면 시트(one-atom-thick planar sheets)인 구조를 갖는 탄소의 동소체(allotrope)이다. 그래핀은 탄소 원자 한 층의 두께 예를 들어, 약 0.34㎚의 두께를 가지는 전도성 물질이다. 그래핀은 구조적, 화학적으로 매우 안정적이며, 우수한 전도체로서 실리콘보다 빠른 전하 이동도를 가지고, 구리보다 많은 전류를 흐르게 할 수 있다. 특히, 하나의 그래핀층(120)의 두께는 DNA를 구성하는 염기 하나의 크기와 비슷하다. 그리하여 표적 분자가 더 정확하게 분별될 수 있다.
그래핀층(120) 내에는 제2 포어(122)가 형성되어 있다. 제2 포어(122)는 제1 포어(112)와 마주하는 위치에 배치될 수 있다. 제2 포어(122)의 크기는 검출하거나, 시퀀싱(sequencing)하려는 표적 분자의 크기에 따라서 선택될 수 있다. 제2 포어(122)의 크기는 표적 분자의 크기이하이며, 표적 분자 이외의 다른 분자의 크기를 초과할 수 있다. 그리하여, 제2 포어(122)에 의해 표적 분자가 걸러진다. 또한, 상기한 제2 포어(122)의 크기는 제1 포어(112)의 크기이하일 수 있으며, 제2 포어(122)는 제1 포어(112)의 일부 영역과 중첩되게 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 포어(122)의 지름은 수 ㎚ 내지 수십 ㎚일 수 있다. 제2 포어(122)의 형상은 도시된 형상에 제한되지 않으며, 원형, 타원형, 또는 다각형 등의 형상을 가질 수 있다. 제2 포어(122)도 예를 들어, 투과 전자 현미경(transmission electron microscope, TEM)에 의한 전자빔을 사용하여 형성될 수 있으며, 집속 이온 빔(focused ion beam)이나 RIE(Reactive Ion beam)에 의한 이온빔을 이용하여 형성될 수 있다.
이와 같은 구조의 나노 센서(100)는 표적 분자가 제2 포어(122)를 막으면 제1 포어(112)에 전기장이 변하고, 상기한 전기장의 변화로 인한 전압이 변하게 됨으로써 표적 분자를 검출 또는 시퀀싱한다. 그리하여, 그래핀층(120)은 포어의 전기장 변화를 측정하는 전극이 된다.
또한, 그래핀층(120)의 양단상에는 서로 이격 배치되는 제1 및 제2 전극 패드(132, 134)가 형성될 수 있다. 제1 전극 패드(132)와 제2 전극 패드(134)간의 간격은 제2 포어(122)의 지름보다 클 수 있다. 다만, 제1 및 제2 전극 패드(132, 134)는 그래핀층(120)에 외부 전원으로부터 전류 또는 전압을 효율적으로 인가하기 위해서, 그래핀층(120)과의 접촉 면적을 최대로 하여 형성될 수 있다. 제1 및 제2 전극 패드(132, 134)는 도 1a에 도시된 바와 같이, 사각형 등의 다각형으로 형성될 수 있으며, 그 형태는 이에 한정되지 않고 다양한 형태로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 전극 패드(132, 134)는 전도성 재료로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, Au, Cr, Cu, Ni, Co, Fe, Ag, Al, Ti, Pd 또는 이들의 혼합물 등으로 이루어질 수 있다.
뿐만 아니라, 제1 절연층(110)상에 제1 및 제2 전극 패드(132, 134)를 덮는 제2 절연층(140)이 형성될 수 있다. 상기한 제2 절연층(140)은 그래핀층(120), 제1 및 제2 전극 패드(132, 134)가 외부와 쇼트되는 것을 방지한다. 그래핀층(120) 위의 제2 절연층(140)은 산화물(oxide)로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, SiO2, Al2O3, TiO2, BaTiO3, PbTiO3 , HfO2 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다. 제2 절연층(140)의 두께는 약 10㎚ 내지 500㎚일 수 있다.
한편, 제1 절연층(110)의 하부에는 상기한 제1 절연층(110)을 지지하는 기판(150)을 더 포함할 수 있다. 기판(150)에는 개구(152)가 형성될 수 있다. 상기한 개구(152)는 제1 포어(112)와 마주하는 위치에 형성될 수 있으며, 기판(150)의 하부로부터 상부로 갈수록 좁아지는 테이퍼 구조(tapered structure)로 형성될 수 있다. 그리하여, 개구(152)는 제1 및 제2 포어(112, 122)와 연결될 수 있다.
개구(152)는 습식 식각에 의해서 형성될 수 있으며, 예를 들어, 수산화 칼륨(potassium hydroxide, KOH), 테트라메틸암모늄클로라이드(tetramethylammonium hydroxide, TMAH), 버퍼 산화물 식각(buffer oxide ethching, BOE) 등에 의해 형성될 수 있다. 개구(152)는 그 지름이 수백 ㎛ 이하일 수 있다. 예를 들어, 개구(152)의 지름은 수㎛ 내지 490㎛일 수 있으며, 더 구체적으로는 10㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 한편, 개구(152)는 선택적 식각(selective etch)을 통해서 형성될 수 있다.
상기한 기판(150)은 반도체 재료, 폴리머 재료 등으로 형성될 수 있다. 상기 반도체 재료는 예들 들어, Si, Ge, GaAs, GaN 등을 포함할 수 있고, 상기 폴리머 재료는 유기 폴리머와 무기 폴리머를 포함할 수 있다. 그 밖에 기판(150)은 석영(quartz), 유리 등으로 형성될 수도 있다.
도면에는 도시되어 있지 않지만, 기판(150)과 제1 절연층(110)사이에는 유전체층이 추가적으로 더 배치될 수 있다. 제1 절연층(110)은 그 두께가 얇은 경우, 기판(150)과 그래핀층(120)간에 전류가 흐를 수 있다. 그리하여 전기적 통전을 방지하기 위해 기판(150)과 제1 절연층(110)사이에 유전체층이 선택적으로 배치될 수 있다.
한편, 나노 센서(100)는 그래핀층(120)과 인접하게 배치되며, 그래핀층(120)의 위치가 식별되도록 하는 마커(160)를 더 포함할 수 있다. 상기한 마커(160)는 제1 절연층(110) 중 그래핀층(120)이 형성되지 않는 영역상에 그래핀층(120)과 이격되게 배치될 수 있다. 예를 들어, 마커(160)는 그래핀층(120)을 사이에 두고 이격배치되는 제1 및 제2 마커(162, 164)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 마커(162, 164)를 잇는 선은 상기 그래핀층(120)을 가로지를 수 있으며, 예를 들어, 제1 및 제2 마커(162, 164)를 잇는 선은 상기 제2 포어(122)를 통과할 수 있다. 상기한 제1 및 제2 마커(162, 164)는 제1 및 제2 마커(162, 164)를 잇는 선을 따라 폭이 긴 바 형상일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 제1 및 제2 마커(162, 164) 각각과 제2 포어(122)간의 거리는 제2 포어(122)의 지름보다 크다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 마커 각각은 상기 제2 포어로부터 약 50nm 내지 약 500nm 거리에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 및 제2 마커 각각은 상기 제2 포어로부터 약 50nm , 약 100nm , 또는 약 500nm 거리에 위치할 수 있다.
상기한 마커(160)는 금속 물질, 절연 물질 또는 폴리머로 형성될 수 있다. 이때 금속은 금(Au), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 백금(Pt), 루테늄(Ru)으로 이루어진 금속물질 중 어느 하나의 물질 또는 이 들의 조합일 수 있다.
나노 센서(100)는 전자빔 리소그래피(E-beam lithography) 등을 이용하여 나노 센서(100)의 구성요소를 형성한 후 FIB(Focused ion beam), TEM(transmission electron microscope)과 같은 장비를 이용하여 나노포어를 형성한다. 특히, 수 nm 이하의 포어를 제작함에 있어서, TEM 장비를 주로 이용하며 이때, 그래핀층(120)의 위치를 확인하는데 어려움이 있다. 따라서, 수 nm의 포어를 제작할 수 있는 배율에서도 그래핀의 위치를 확인할 수 있도록 상기한 마커(160)를 추가적으로 형성한 것이다. 이때 형성된 마커(160)는 그래핀으로부터 수백 nm 이하의 거리에 위치할 수 있다.
한편, 도 1a 및 도 1b에 도시된 마커(160) 이외에도 다양한 위치에 마커가 형성될 수 있다. 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 센서(200)의 일 예를 도시한 도면들이다.
도 1a과 도 2a, 도 2a와 도 2b 각각을 비교하면, 마커(260) 이외의 구성 요소는 동일하다. 따라서, 동일한 구성 요소의 설명은 생략한다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 마커(260)는 제1 절연층(110)의 일부가 식각되어 단차진 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 상기한 마커(160)는 제1 절연층(110) 중 그래핀층(120)이 형성되지 않는 영역에 그래핀층(120)과 이격되게 배치되도록 제1 절연층(110)의 일부가 식각되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 마커(160)는 그래핀층(120)을 사이에 두고 이격배치되는 제3 및 제4 마커(262, 364)를 포함할 수 있다. 제3 및 제4 마커(262, 264)를 잇는 선은 상기 그래핀을 가로지를 수 있으며, 예를 들어, 제3 및 제4 마커(262, 264)를 잇는 선은 상기 제2 포어(122)를 통과할 수 있다. 상기한 제3 및 제4 마커(262, 264)는 제3 및 제4 마커(262, 264)를 잇는 선을 따라 폭이 긴 바 형상일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기한 마커(260)는 제1 절연층(110)이 식각되어 형성되기 때문에 마커를 형성하기 위한 물질을 추가적으로 적층하지 않아도 된다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노 센서(300)의 일 예를 도시한 도면들이다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 마커(360)는 그래핀층(120) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 마커(360)는 그래핀층(120) 중 제1 및 제2 전극 패드(132, 134)가 형성되지 않는 영역상에 제2 포어(122)를 사이에 두고 서로 이격 배치되는 제5 및 제6 마커(362, 364)를 포함할 수 있다. 제5 마커(362)와 제6 마커(364)간의 간격은 제2 포어(122)보다 크다. 그리하여, 제5 및 제6 마커(362, 364) 에 의해 제2 포어(122)의 크기가 제한되지 않는다. 상기한 마커(360)는 금속 물질, 절연 물질 또는 폴리머로 형성될 수 있다. 그리하여, 마커(360)와 제1 및 제2 전극 패드(132, 134)은 구분될 수 있다.
뿐만 아니라, 마커는 제2 절연층(140)상에도 형성될 수도 있다. 도 4 및 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노 센서(400, 500)의 일 예를 도시한 단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 마커(460)는 제2 절연층(140) 중 그래핀층(120)과 중첩되지 않는 영역에 형성될 수 잇다. 예를 들어, 마커(460)는 그래핀층(120)을 사이에 두고 제2 절연층(140)상에 이격 배치되는 제7 및 제8 마커(462, 464)를 포함할 수 있다. 제7 및 제8 마커(462, 464) 를 잇는 선은 상기 그래핀층(120)의 위를 가로지를 수 있으며, 예를 들어, 제7 및 제8 마커(462, 464) 를 잇는 선은 상기 제2 포어(122)를 통과할 수 있다. 상기한 제7 및 제8 마커(462, 464)는 제7 및 제8 마커(462, 464)를 잇는 선을 따라 폭이 긴 바 형상일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기한 마커(460)는 금속 물질, 절연 물질 또는 폴리머로 형성될 수 있다.
또는, 도 5에 도시된 바와 같이, 마커(560)는 제2 절연층(140) 중 그래핀층(120)과 중첩되는 영역상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 마커(560)는 제2 절연층(140) 중 제1 및 제2 전극 패드(132, 134)와 중첩되지 않으면서 그래핀층(120)에 중첩되는 영역에 형성될 수 있다. 상기한 마커(560)는 금속 물질, 절연 물질 또는 폴리머로 형성될 수 있다.
다음은 도 1a 및 도 1b에 도시된 나노 센서(100)를 제조하는 방법에 대해 설명한다. 도 6a 내지 도 6f는 실시예에 따른 그래핀을 포함하는 나노 센서(100)의 제조방법을 설명하는 도면들이다.
먼저, 도 6a에 도시된 바와 같이, 기판(150) 상에 절연물질로 이루어진 제1 절연층(110), 그래핀층(120a) 및 금속층(130a)을 순차적으로 적층한다. 기판(150)으로는 다양한 재질의 반도체, 폴리머 기판이 사용될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 기판(150)을 소정 두께, 대략 300um이 되도록 CMP(chemical mechanical polishing) 등의 방법으로 연마하여 기판을 준비할 수 있다. 기판(150)의 하면에는 도시되지는 않았으나, 소정의 개구 형성을 위한 식각 마스크층이 더 마련될 수도 있다. 그리고, 제1 절연층(110)의 재질로는 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물이 사용될 수 있다. 그래핀층(120a)는 전사(transfer) 방법에 의해서 제1 절연층(110) 상에 형성될 수 있다. 그리고 나서, 그래핀층(120a)상에 금속층(130a)을 형성한다. 금속층(130a)은 전기전도성이 좋은 Au, Cu, Ag 또는 Al 등의 물질로 형성될 수 있다.
그리고, 도 6b에 도시된 바와 같이, 금속층(130a) 및 그래핀층(120a)을 패터닝한다. 금속층(130a)은 포토리소피 공정과 식각 공정으로 패터닝될 수 있다. 예를 들어, 포토레지스트층을 금속층(130a) 상에 마련하고, 이를 패터닝할 수 있다. 그리고, 상기 패터닝된 포토레지스트층을 식각 마스크로 사용하여 금속층(130a)을 식각할 수 있다. 추가적으로 패터닝된 포토레지트층을 식각 마스크로 사용하여 노출된 그래핀층(120a)을 식각한다.
또는 리프트오프(lift-off) 방법을 이용하여 금속층을 패터닝 할 수도 있다. 그래핀층(120a) 위에 포토레지스트층을 마련하고 전자빔 리소그래피나 포토리소그래피 공정을 이용하여 패터닝한다. 이때 금속층이 남아있을 부분의 포토레지스트만 제거되도록 패터닝 한다. 그리고, 포토레지스트층 위에 금속층을 적층하고 포토레지스트 리프트오프(lift-off)를 진행하면 그래핀 위에 금속층(130b)이 형성된다. 추가적으로 패터닝된 포토레지트층을 식각 마스크로 사용하여 노출된 그래핀층(120a)을 식각한다. 또는 금속층(130b)을 식각 마스크로 사용하여 노출된 그래핀층(120a)를 식각한다.
그리고, 도 6c에 도시된 바와 같이, 제1 절연층(110)의 노출된 영역상에 마커(160)(도면에는 제1 마커(162)만이 도시되어 있고, 제2 마커(164)는 미도시되어 있다.)를 형성한다. 상기한 마커(160)는 전자빔 리소그래프 방식으로 패터닝될 수 있다. 예를 들어, 제1 절연층(110)상에 전자빔에 민감한 레지스트를 코팅한 한 후, 전자빔을 조사하여 전자빔 리지스트(ER)를 마커 형상 부분의 제1 절연층(110)이 노출되도록 패터닝한다. 그리고, 전자빔 리지스트 및 노출된 제1 절연층(110)상로 마커에 대응하는 물질을 형성한다. 상기한 마커에 대응하는 물질은, 금속 물질, 절연 물질 또는 폴리머일 수 있다. 다음, 리프트 오프(lift off) 공정에 의해 전자빔 리지스트(ER)를 제거하면, 전자빔 리지스트(ER) 위에 형성된 물질도 함께 제거된다.
그리고 나서, 도 6d에 도시된 바와 같이, 패터닝된 금속층(130b)의 일부를 식각하여 제1 및 제2 전극 패턴(132, 134)(제2 전극 패턴(134)는 미도시)을 형성하고 그래핀층(120)의 일부를 노출시킨다. 다음, 도 6e에 도시된 바와 같이, 제1 절연층(110)상에 제1 및 제2 전극 패턴(132, 134), 그래핀층(120) 및 마커(160)를 덮는 제2 절연층(140)을 형성하고, 기판(150)의 하면에 식각 등의 방법으로 개구(152) 를 형성한다.
그리고 나서, 도 6f에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 포어(112, 122)를 형성하여 나노 센서(100)가 형성된다. 제1 및 제2 포어(112, 122)는 개구(152)와 연결되는 위치에 형성되며, FIB(focused ion beam) 또는 TEM(transmission electron mmicroscope)장비를 이용하여 형성될 수 있다. FIB 또는 TEM 장비를 이용하여 포어를 형성하는데 있어서, 그래핀층(120)의 위치가 확인되지 않는 문제점이 있다. 그러나, 그래핀층(120)과 인접한 위치에 마커(160)가 형성되어 있기 때문에 제1 및 제2 마커(162, 164)의 이격된 공간내에 그래핀층(120)이 위치함을 알 수 있다. 그리하여, 제1 및 제2 마커(162, 164)의 이격된 공간 중 가운데 영역에 제1 및 제2 포어(122)를 형성할 수 있다. 제2 포어(122)의 크기는 제1 포어(112)의 크기 이하일 수 있으며, 직경이 수 nm일 수 있다. 제1 및 제2 포어(122)의 형상은 제한되지 않으며, 원형, 타원형, 또는 다각형 형상을 가질 수 있다.
도 6c에서는 전자빔 리소그래피 방식으로 마커(160)를 형성한다고 하였으나, 이에 한정되지 않는다. 마커(160)는 FIB(focused ion beam)를 이용하여 절연 물질을 밀링(milling)하여 형성할 수도 있고, 포토리소그래피나 전자빔 리소그래피 공정으로 형성할 수도 있다. 또한, FIB(focused ion beam)장비의 이온빔(ion beam)이나 전자빔(electron beam)을 이용하여 금속 물질이나 절연 물질을 적층하여 형성할 수도 있다.
도 6a 내지 도 6f는 도 1a 및 도 1b에 도시된 나노 센서(100)를 제조하는 방법에 대해 설명하였다. 도 2a 내지 도 5에 도시된 나노 센서(200, 300, 400, 500)도 전자빔 리소그래피 또는 FIB로 마커를 형성할 수 있다. 다만, 마커의 위치에 따라 마커의 형성 방법 및 순서가 상이할 뿐이다.
상기한 마커는 갭을 이용한 나노 센서(100)에도 적용될 수 있다. 갭을 포함한 나노 센서는 표적 분자가 나노갭을 통과할 때 터널링 전류를 측정함으로써 표적 분자를 검출 또는 시퀀싱한다. 나노포어는 전극으로 활용되는 그래핀층의 일부에 포어가 형성된다. 반면, 도 나노갭은 제1 절연층 및 그래핀층이 갭에 의해 분리된다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 갭을 이용한 나노 센서(100)를 도시한 도면들이다.
도 7a 및 도 7b의 갭을 이용한 나노 센서(600) 각각은 도 1a 및 도 1b의 포어를 이용한 나노 센서(100)와 대응된다. 단지, 포어를 이용하였는지 갭을 이용하였는지 여부에 따라 평면도가 다소 상이하다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 갭을 이용한 나노 센서(100)는 제1 포어(112)가 형성된 제1 절연층(110)과, 제1 절연층(110) 위에 마련된 것으로, 제1 포어(112)와 마주하는 위치에 갭(124)이 형성된 그래핀층(120)를 포함한다. 갭(124)의 간격은 검출하거나, 시퀀싱(sequencing)하려는 표적 분자의 크기에 따라서 선택될 수 있다. 표적 분자는 갭(124)을 통과하여야 하므로, 갭(124)의 간격은 표적 분자의 크기보다 클 수 있다. 갭(124)의 간격은 수 ㎚ 내지 수십 ㎚일 수 있다. 갭(124)은 제1 포어(112)와 마주하는 위치에 배치될 수 있다. 또한, 상기한 갭(124)의 간격은 제1 포어(112)의 지름 이하일 수 있으며, 갭(124)은 제1 포어(112)의 일부 영역과 중첩되게 배치될 수 있다. 갭(124)은 예를 들어, 투과 전자 현미경(transmission electron microscope, TEM)에 의한 전자빔을 사용하여 형성될 수 있으며, 집속 이온 빔(focused ion beam)이나 RIE(Reactive Ion beam)에 의한 이온빔을 이용하여 형성될 수 있다.
갭(124)을 이용한 나노 센서(600)의 제1 및 제2 절연층(110, 140), 제1 및 제2 전극 패턴(132, 134)과 기판(150)의 물질 및 크기는 포어(122)를 이용한 나노 센서(100)의 제1 및 제2 절연층(110, 140), 제1 및 제2 전극 패턴(132, 134)과 기판(150)의 물질 및 크기와 동일하기 때문에 구체적인 설명은 생략한다.
또한, 갭(124)을 이용한 나노 센서(600)도 그래핀층(120)과 인접하게 배치되며, 그래핀층(120)의 위치가 식별되도록 하는 마커(160)를 더 포함할 수 있다. 상기한 마커(160)는 제1 절연층(110) 중 그래핀층(120)이 형성되지 않는 영역상에 그래핀층(120)과 이격되게 배치될 수 있다. 예를 들어, 마커(160)는 그래핀층(120)을 사이에 두고 이격배치되는 제1 및 제2 마커(162, 164)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 마커(162, 164)를 잇는 선은 상기 그래핀층(120)을 가로지를 수 있으며, 예를 들어, 제1 및 제2 마커(162, 164)를 잇는 선은 상기 갭(124)을 통과할 수 있다. 상기한 제1 및 제2 마커(162, 164)는 제1 및 제2 마커(162, 164)를 잇는 선을 따라 폭이 긴 바 형상일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기한 마커(160)는 금속 물질, 절연 물질 또는 폴리머로 형성될 수 있다. 이때 금속은 금(Au), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 백금(Pt), 루테늄(Ru)으로 이루어진 금속물질 중 어느 하나의 물질 또는 이 들의 조합일 수 있다.
나노 센서(600)는 전자빔 리소그래피(E-beam lithography) 등을 이용하여 나노 센서(600)의 구성요소를 형성한 후 FIB(Focused ion beam), TEM(transmission electron microscope)과 같은 장비를 이용하여 나노갭을 형성한다. 특히, 수 nm 이하의 갭을 제작함에 있어서, TEM 장비를 주로 이용하며 이때, 그래핀층(120)의 위치를 확인하는데 어려움이 있다. 따라서, 수 nm의 갭을 제작할 수 있는 배율에서도 그래핀층(120)의 위치를 확인할 수 있도록 상기한 마커(160)를 추가적으로 형성한 것이다. 이때 형성된 마커(160)는 그래핀층(120)으로부터 수백 nm 이하의 거리에 위치할 수 있다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 갭을 이용한 나노 센서(700, 800, 900, 1000)를 도시한 평면도이다.
도 8 내지 도 11에 도시된 갭을 이용한 나노 센서(700, 800, 900, 1000) 각각은 도 2a, 도 3a, 도 4 및 도 5에 도시된 포어를 이용한 나노 센서(200, 300, 400, 500)와 대응된다. 도 8 내지 도 11의 나노 센서(700, 800, 900, 1000)들은 표적 분자가 갭을 통과하면서 발생된 터널링 전류를 측정함으로써 표적 분자를 검출 또는 시퀀싱하는 반면, 도 2a, 도 3a, 도 4 및 도 5의 나노 센서(100)는 표적 분자가 포어를 막음으로써 전기적 특성의 변화를 측정함으로써 표적 분자를 검출 도는 시퀀싱한다는 점에서 차이가 있다. 나노 센서의 갭도 포어의 제조 방법과 동일하게 투과 전자 현미경(transmission electron microscope, TEM), 집속 이온 빔(focused ion beam, FIB) 등을 사용하여 형성될 수 있다. 다만 갭은 그래핀층이 복수 개로 분리되도록 한다는 점에서 차이가 있을 뿐이다.
앞서 설명한 제2 포어(122)와 갭(124)은 표적 분자를 검출 또는 시퀀싱하는 영역이므로, 제2 포어(122) 및 갭(124)을 검출 영역이라고 통칭할 수 있다. 그래핀층(120)상에 포어(122) 및 갭(124)의 형성은 그래핀층(120)의 크기와 포어(122) 및 갭(124)의 크기에 대한 제한으로 인해 제조의 어려움이 있다. 그러나, 그래핀층(120)의 위치를 확인할 수 있는 마커(160)를 형성함으로써 포어(122) 및 갭(124)의 형성이 용이해진다.
그리고, 이와 같은 마커의 형성은 나노 센서에 한정되지 않는다. 그래핀층을 포함하는 장치에 있어 그래핀층을 위치를 확인할 필요가 있는 모든 장치에도 적용될 수 있다. 이와 같은 장치는 나노 센서뿐만 아니라, 그래핀층을 포함하는 트랜지스터와 같은 전자 소자가 있을 수 있다. 예를 들어, 그래핀층을 포함하는 장치를 제조할 때, 상기 장치의 일부 구성요소를 형성하고, 상기 일부 구성요소의 제1 영역상에 상기 그래핀층을 형성하며, 상기 그래핀층 또는 상기 일부 구성요소의 제2 영역상에 마커를 형성한다. 그리고 나서, 장치의 나머지 구성요소를 형성함으로써 그래핀층을 포함한 장치를 제조할 수 있다.
이러한 본원 발명인 그래핀을 포함하는 나노 센서 및 이의 제조방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 : 나노 센서
110 : 제1 절연층 112 : 제1 포어
120 : 그래핀층 122 : 제2 포어
124 : 갭 132 : 제1 전극 패드
134 : 제2 전극 패드 140 : 제2 절연층
150 : 기판 152 : 개구
160, 260, 360, 460 : 마커

Claims (22)

  1. 제1 포어가 형성된 제1 절연층;
    상기 제1 절연층에 배치되며, 상기 제1 포어와 마주하는 위치에 배치되는 제2 포어 또는 갭이 형성된 그래핀층; 및
    상기 그래핀층과 인접하게 배치되며, 상기 그래핀층의 위치가 식별되도록 하는 마커;를 포함하는 나노 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 포어의 크기는 상기 제2 포어의 크기 또는 상기 갭의 간격이상인 나노 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 포어 또는 갭은 상기 제1 포어의 일부와 중첩되는 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 마커는 상기 제1 절연층 중 상기 그래핀층이 형성되지 않는 영역에 상기 그래핀층과 이격되게 배치되는 나노 센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 마커는 상기 그래핀층을 사이에 두고 이격배치되는 제1 및 제2 마커를 포함하는 나노 센서.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 마커를 잇는 선은 상기 그래핀층을 가로지르는 나노 센서.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 마커를 잇는 선은 상기 제2 포어 또는 상기 갭을 통과하는 나노 센서.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 마커 각각은 상기 제2 포어 또는 상기 갭으로부터 50nm 내지 500nm 거리에 위치하는 나노 센서.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 마커는 금속 물질, 절연 물질 또는 폴리머로 형성된 나노 센서.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 마커는 상기 제1 절연층의 일부가 식각되어 단차진 형상인 나노 센서.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 그래핀층의 양단상에 서로 이격되게 배치된 제1 및 제2 전극 패드;를 더 포함하는 나노 센서.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 마커는 상기 그래핀층상에 배치되는 나노 센서.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 마커는
    상기 그래핀층 중 상기 제1 및 제2 전극 패드가 형성되지 않는 영역상에서 상기 제2 포어 또는 상기 갭을 사이에 두고 이격 배치되는 제3 및 제4 마커를 포함하는 나노 센서.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 패드를 감싸며 상기 제1 절연층상에 배치되는 제2 절연층;를 더 포함하는 나노 센서.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 마커는 상기 제2 절연층상에 배치되는 나노 센서.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 마커는,
    상기 제2 절연층 중 상기 그래핀층과 중첩되지 않는 영역상에 상기 제2 포어 또는 상기 갭을 사이에 두고 이격 배치되는 제5 및 제6 마커를 포함하는 나노 센서.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 마커는,
    상기 제2 절연층 중 상기 그래핀층과 중첩되는 영역상에 상기 제2 포어 또는 상기 갭을 사이에 두고 이격 배치되는 제7 및 제8 마커를 포함하는 나노 센서.
  18. 기판상에 제1 절연층, 그래핀층 및 금속층을 순차적으로 형성하는 단계;
    상기 그래핀층 및 금속층을 패터닝하는 단계;
    상기 제1 절연층상 또는 상기 그래핀층상에 마커를 형성하는 단계;
    상기 제1 절연층상에 상기 패터닝된 그래핀층 및 금속층과 상기 마커를 덮도록 제2 절연층을 형성하는 단계; 및
    상기 그래핀층에 갭 또는 포어를 형성하는 단계를 포함하는 나노 센서 제조 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 갭 또는 포어의 형성은,
    TEM(transmission electron microscope) 또는 FIB를 이용한 나노 센서 제조 방법.
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 마커는 상기 갭 또는 포어를 사이에 두고 이격 배치되는 제1 및 제2 마커를 포함하는 나노 센서 제조 방법.
  21. 제 18항에 있어서,
    상기 마커의 형성은,
    FIB(Focused ion beam) 또는 전자빔 리소그래피(E-beam lithography)를 이용하는 나노 센서 제조 방법.
  22. 그래핀층을 포함하는 장치에 마커를 형성하는 방법에 있어서,
    상기 장치의 일부 구성요소를 형성하는 단계;
    상기 일부 구성요소의 제1 영역상에 상기 그래핀층을 형성하는 단계;
    상기 그래핀층 또는 상기 일부 구성요소의 제2 영역상에 마커를 형성하는 단계; 및
    상기 장치의 나머지 구성요소를 형성하는 단계;를 포함하는 그래핀층을 포함하는 장치에 마커를 형성하는 방법.
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