[ Article ]

JOURNAL OF SENSOR SCIENCE AND TECHNOLOGY - Vol. 30, No. 3, pp.170-174

ISSN: 1225-5475 (Print) 2093-7563 (Online)

Print publication date 31 May 2021

Received 11 May 2021 Revised 21 May 2021 Accepted 25 May 2021

DOI: https://doi.org/10.46670/JSST.2021.30.3.170

엑스선 그레이 스케일 리소그래피를 활용한 반원형 단면의 서브 마이크로 선 패턴의 바이오멤스 플랫폼 응용

김강현¹ ; 김종현¹^{, 2} ; 남효영³ ; 김수현¹ ; 임근배¹^{, +}

1포항공과대학교 기계공학과
2포항 가속기 연구소
3포항공과대학교 창의 IT 융합공학과

X-ray grayscale lithography for sub-micron lines with cross sectional hemisphere for Bio-MEMS application

Kanghyun Kim¹ ; Jong Hyun Kim¹^{, 2} ; Hyoryung Nam³ ; Suhyeon Kim¹ ; Geunbae Lim¹^{, +}

1POSTECH, 77 Cheongam-ro, Nam-gu, Pohang, Gyeongbuk 37673, Korea
2Pohang Accelerator Laboratory (PAL), 77 Cheongam-ro, Nam-gu, Pohang, Gyeongbuk 37673, Korea
3POSTECH, 77 Cheongam-ro, Nam-gu, Pohang, Gyeongbuk 37673, Korea

Correspondence to: ⁺ limmems@postech.ac.kr

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(https://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

As the rising attention to the medical and healthcare issue, Bio-MEMS (Micro electro mechanical systems) platform such as bio sensor, cell culture system, and microfluidics device has been studied extensively. Bio-MEMS platform mostly has high resolution structure made by biocompatible material such as polydimethylsiloxane (PDMS). In addition, three dimension structure has been applied to the bio-MEMS. Lithography can be used to fabricate complex structure by multiple process, however, non-rectangular cross section can be implemented by introducing optical apparatus to lithography technic. X-ray lithography can be used even for sub-micron scale. Here in, we demonstrated lines with round shape cross section using the tilted gold absorber which was deposited on the oblique structure as the X-ray mask. This structure was used as a mold for PDMS. Molded PDMS was applied to the cell culture platform. Moreover, molded PDMS was bonded to flat PDMS to utilize to the sub-micro channel. This work has potential to the large area bio-MEMS.

Keywords:

Bio-MEMS, X-ray grayscale lithography, Tilted gold absorber, PDMS, Microfluidics, Cell patterning

1. 서 론

의료 및 건강에 대한 수요가 증대됨에 따라 바이오 물질을 다루거나 검출하는 플랫폼의 개발이 요구되고 있다. 플랫폼을 제작하기 위해 현재 미세전자기계시스템(MEMS)을 응용한 바이오멤스(Bio-MEMS) 기술을 주로 활용된다 [1-3]. 대표적인 응용은 바이오 센서 [4], 세포 배양 플랫폼 [5], 미세 유체 기술 [6] 등이 있다. 미세 유체 기술은 미세한 크기를 가지면서 소량인 생체 물질을 전기장 등의 외력을 활용해 정밀하게 다루는데 큰 장점이 있다 [6]. 이러한 플랫폼은 바이오 물질의 크기와 비슷한 마이크론 수준의 해상도가 필요하므로 리소그래피 기술을 통해 원하는 패턴을 구성한다. 최근에는 3차원 구조에 대한 연구도 진행되고 있다 [7]. 하지만 일반적인 리소그래피는 2차원에 국한되는 한계를 가지고 있다. 공정의 단계를 늘림으로써 입체 패턴 구조를 구현할 수 있으나, 공정 복잡도와 재료 소모량이 비례하여 증가해 비용이 증대되는 단점을 가지고 있다. 또는 전자빔 리소그래피와 같이 입자를 직접 입사하는 방법으로 위치별 노광량을 달리하는 그레이 스케일 패턴 제작 방법도 있으나 시간이 많이 소요되어 대면적 공정에 불리하다 [8]. 이를 극복하기 위해 광학 디퓨저와 같은 특수한 광학 소자(Optics)를 활용하는 방법도 연구되고 있다 [9]. 이러한 소자를 활용하면 한 번의 공정으로도 2.5차원 수준의 입체 패턴 구조를 제작할 수 있는 장점이 있다 [9,10]. 특히 엑스선 리소그래피를 이용하여 뿔 형태로 에칭 된 실리콘 구조를 마스크로 하여 한번에 입체 패턴 구조를 제작한 사례가 보고되었으나 제작된 입체 패턴 구조는 수 십 마이크론 수준의 크기에 그쳤다 [11].

특정 플랫폼은 목적에 따라 기능화된 표면이 요구되기도 한다. 이를 위해 생체 적합성, 화학 안정성, 유연성, 광 투과성 등의 여러 장점을 지닌 폴리머인 폴리디메틸실록산(PDMS)이 재료로서 널리 사용되고 있다. PDMS는 성형도 간단해 일반적인 리소그래피(Lithography) 공정을 통해 제작한 구조를 몰딩(Molding)하여 플랫폼으로써 활용 가능하게 한다 [12].

본 연구에서는 금(Au) 경사 증착 공정을 도입한 엑스선 마스크를 활용해 엑스선 그레이 스케일 리소그래피 공정을 진행해 서브 마이크론 수준의 그레이 스케일 선 패턴을 제작하였다. 제작된 입체 패턴 구조는 PDMS 몰딩을 통해 바이오멤스의 대표적인 플랫폼인 서브 마이크로 채널 표면으로 만들 수 있었으며, 이를 이용하여 세포 배양 시스템으로의 응용 가능성을 확인하였다.

2. 연구 방법

2.1 엑스선 마스크 설계

리소그래피는 감광성 물질인 포토레지스트(Photoresist)에 광을 입사하고 현상 공정을 통해 미세 구조를 제작하는 기술이다. 광입사 위치는 흡광 물질이 패터닝 된 마스크라는 광학 장치로 결정된다. 엑스선은 에너지가 높기 때문에 원자번호가 높은 물질을 수-수십 마이크론 두께로 증착하여 사용한다. 일반적으로는 자외선 리소그래피로 패터닝 된 SU-8을 매개로 금을 증착하여 사용한다. 이 연구에서는 경사 노광 된 SU-8의 벽면에 금을 열증착하여 제작하였다.

엑스선 마스크로 사용될 금의 두께는 엑스선 노광 조건에 따라 달라진다. 엑스선 노광은 포항 가속기 연구소 9D XNMM빔 라인에서 수행 되었으며, 전반사 거울 1쌍의 각도를 높여 고에너지 엑스선의 비율을 줄일 수 있다. 저장링에서 방사된 에너지에 비해 0.6^o로 기울인 거울을 통과한 후의 엑스선 스펙트럼을 관찰하였을 때, Fig. 1(a)와 같이 높은 에너지의 엑스선이 차단됨을 확인할 수 있었다. 그레이 스케일 리소그래피용 마스크는 흡수체의 두께가 중심부터 가장자리에 이르기까지 줄어드므로한 흡수체에서 투과도가 달라진다. 본 실험에서는 흡수체의 두께가 최대 4 μm이고 흡수체가 없는 부분까지 상정하면 0.8-100%가 투과 되도록 하였다[Fig. 1(b)]. 마스크 모양은 형상 관찰이 용이하면서 활용도가 높은 선 모양을 채택하였으며, 주기는 10 μm로 설정하였다.

Fig. 1.

(a) Beam spectra before and after total reflection of one pair of mirror inclined at 0.6o, and (b) calculated transmittance of the gold absorber with various thickness to the suggested spectra.

2.2 엑스선 마스크 제작

금을 증착할 지지대를 위해 엑스선에 대한 투과도가 높고 유기용매에 용해되지 않는 SU-8을 선정하였다. 엑스선 마스크는 네거티브 포토레지스트인 SU-8 3005를 실리콘 웨이퍼 위에 5000 rpm으로 스핀 코팅 하고, 95^oC에서 2분간 베이킹을 진행하였다. 코팅된 웨이퍼는 약 20^o만큼 기울여 105 mJ/cm²만큼 자외선에 노출되도록 하였으며, 65, 95^oC에서 순서대로 1분씩 노광하고 베이킹을 진행한 후, SU-8 현상액에서 1분간 현상하였다. 기울어진 SU-8 구조의 벽면에는 텅스텐 보트를 활용해 금을 열 증착하였다[Fig. 2 (a)]. 제작된 엑스선 마스크의 선 패턴은 광학 현미경을 통해 확인 되었으며, 디자인과 같이 10 μm 주기로 형성된 것을 확인하였다[Fig. 3].

Fig. 2.

Fabrication process of (a) X-ray mask, (b) grayscale patterns and (c) sub-micro channel. X-ray mask was fabricated by two steps; slanted UV lithography and thermal deposition of gold. X-ray was exposed as different angle with the gold absorber. PDMS was molded and attached after O2 plasma treatment.

Fig. 3.

Optical image of fabricated X-ray mask.

2.3 엑스선 노광

엑스선 포토레지스트는 포지티브 타입인 ZEP520A를 선정하였다. 실리콘 웨이퍼에 500 rpm으로 스핀 코팅 후 180^oC에서 3분간 베이킹하였다. 휨 자석에서 발생한 엑스선은 0.6^o로 기울여진 전반사 거울에서 반사된 후, 베릴륨 윈도우를 지나 시료에 도달한다. 엑스선은 경사 증착 된 마스크에 수직하게 정렬되어 1.5 kJ/cm³만큼 입사 되었다. 현상은 ZED N50 현상액에서 진행하였으며, 메틸이소부틸케톤(Methyl isobutyl ketone, MIBK)과 아이소프로필 알코올(Isopropyl alcohol, IPA)를 89:11의 부피비로 혼합한 용액에서 10초간 린싱하였다[Fig. 2(b)].

2.4 PDMS 몰딩과 접합

PDMS는 프리폴리머와 경화제를 10:1의 질량비로 혼합한 후 제작된 입체 패턴 구조에 부어 60^oC의 오븐에서 2시간 이상 경화시켰다. 그 후 입체 패턴 구조와 PDMS를 손으로 분리하였다. 서브 마이크로 채널(Sub-microchannel)은 선 패턴을 몰딩한 PDMS와 평평한 PDMS의 각 단면을 산소 플라즈마 처리를 하고 포갠 후 압력을 가해 부착함으로써 제작하였다.

2.5 세포 생장 실험

PDMS는 자외선을 2일간 조사해 소독하였다. 소독된 기판에는 NIH3T3 세포 3.75 × 10⁴ 개를 투입하였고, 배양액은 Dulbecco’s modified eagle’s medium(DMEM, Gibco, Grand Island, NY)에 10% fetal bovine serum(FBS, Gibco)와 1% penicillin/streptomycin(P/S, Gibco)을 혼합해 사용하였다. 37^oC, 5 % CO₂환경에서 2일간 배양하여 광학 현미경으로 세포의 생장 형태를 확인하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 엑스선 그레이 스케일 패턴

제작된 엑스선 그레이 스케일 패턴은 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 통해 관찰하였다. Fig. 4의 (a)처럼 10 μm 주기로 탈락없이 형성되었다. 단면 촬영을 통해 폭은 720 nm, 두께는 225 nm임을 확인하였고, 곡률은 524 nm 였다[Fig. 4(b)].

Fig. 4.

(a)Top view and (b) cross section of grayscale lines by X-ray lithography.

3.2 PDMS 몰딩과 서브 마이크로 채널 형상

몰딩한 PDMS의 표면 형상도 전자주사현미경을 통해 관찰되었다. 몰딩한 홈의 폭과 깊이, 주기는 Fig. 5의 (a, b)와 같이 노광 패턴과 거의 동일하였다.

Fig. 5.

Results of PDMS molding. (a) Cross section and (b) top view of patterns. (c) Sub-micro channel array and (d) a single channel bonded with the line-patterned and flat PDMS.

뿐만 아니라, 2개의 PDMS 홈을 접합하여 미세 채널을 제작할 수 있는데, 접합된 채널의 단면이 장축 790 nm, 단축 540 nm의 타원형으로 형성된 것을 확인하였다[Fig. 5(c, d)].

3.3 세포 생장 형태

마이크론 이하 크기의 타원형으로 형성된 라인 패턴을 가지는 PDMS와 패턴이 없는 PDMS에 NIH3T3를 투입하여 세포 생장 형태를 비교, 관찰하였다. 라인 패턴을 가지는 PDMS에서는 엑스선 그레이 스케일 리소그래피 공정을 통해 제작된 서브 마이크로의 사이즈를 세포가 인지하여, 패턴을 따라 길게 신장되어 생장하는 것을 관찰할 수 있었다[Fig. 6(a)]. 반면에, 패턴이 없는 PDMS 표면에서는 방향성을 관찰할 수 없었다[Fig. 6(b)].

Fig. 6.

Growth morphology of NIH3T3 on (a) horizontal line-patterned PDMS surface and (b) flat PDMS surface.

4. 결 론

미세 유체 기술과 세포 배양 플랫폼으로 대표되는 바이오멤스 기술은 생체 적합한 미세 패턴 제작이 필수적이며, 이를 위해 리소그래피 공정이 주로 활용된다. 독특한 패턴을 제작하기 위해 그레이스케일 리소그래피 기술을 도입하기도 하는데, 마이크론 이하의 크기를 제작하기에는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해서 본 연구에서는 엑스선 그레이 스케일 리소그래피 기술을 활용해 서브 마이크론 폭의 둥근 단면을 갖는 선 패터닝을 보였고, PDMS 몰딩을 통해 패턴을 그대로 재현해 낼 수 있었다. 뿐만 아니라, 해당 방법을 이용하면 입체 패턴 구조 표면 제작이 가능하여, 이는 세포 정렬을 위한 패터닝 된 기판 제작에도 손쉽게 응용 가능하다. 본 기술은 바이오멤스를 위한 플랫폼 제작에 광범위하게 사용 가능할 것으로 예상된다.

Acknowledgments

This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF), a grant funded by the Korea government (MSIT) (No. NRF-2020R1A2C2007017), and the Nano·Material Technology Development Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Science and ICT (NRF-2020M3H4A1A02084830).

REFERENCES

B. Ziaie, “Hard and soft micromachining for BioMEMS: review of techniques and examples of applications in microfluidics and drug delivery” Adv. Drug Del. Rev., Vol. 56, No. 2, pp. 145-172, 2004. [https://doi.org/10.1016/j.addr.2003.09.001]
B. J. Kim and E. Meng, “Review of polymer MEMS micromachining” J. Micromech. Microeng., Vol. 26, No. 1, pp. 013001, 2016. [https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/1/013001]
Leïchlé, L. Nicu, and T. Alava, “MEMS Biosensors and COVID-19: Missed Opportunity” ACS Sens., Vol. 5, No. 11, pp. 3297-3305, 2020. [https://doi.org/10.1021/acssensors.0c01463]
F. Marvi and K. Jafari, “A Measurement Platform for Label-Free Detection of Biomolecules Based on a Novel Optical BioMEMS Sensor” IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. 70, pp. 1-7, 2021. [https://doi.org/10.1109/TIM.2021.3052001]
F. Gao, J. Luo, Y. Song, E. He, Y. Zhang, G. Xiao, and X. Cai, “Microelectrode arrays for monitoring neural activity in neural stem cells with modulation by glutamate in vitro” Nanotechnol. Precis. Eng., Vol. 3, No. 2, pp. 69-74, 2020. [https://doi.org/10.1016/j.npe.2020.03.002]
H. Jeon, S. Kim, and G. Lim, “Electrical force-based continuous cell lysis and sample separation techniques for development of integrated microfluidic cell analysis system: A review” Microelectron. Eng., Vol. 198, pp. 55-72, 2018. [https://doi.org/10.1016/j.mee.2018.06.010]
C. Didier, A. Kundu, and S. Rajaraman, “Capabilities and limitations of 3D printed microserpentines and integrated 3D electrodes for stretchable and conformable biosensor applications” Microsyst. Nanoeng., Vol. 6, No. 1, pp. 15, 2020. [https://doi.org/10.1038/s41378-019-0129-3]
J. Kim, D. C. Joy, and S. Y. Lee, “Controlling resist thickness and etch depth for fabrication of 3D structures in electron-beam grayscale lithography”, Microelectron. Eng.,Vol. 84, No. 12, pp. 2859, 2007. [https://doi.org/10.1016/j.mee.2007.02.015]
J. H. Lee, W. S. Choi, K. H. Lee, and J.-B. Yoon, “A simple and effective fabrication method for various 3D microstructures: backside 3D diffuser lithography” J. Micromech. Microeng., Vol. 18, No. 12, pp. 125015, 2008. [https://doi.org/10.1088/0960-1317/18/12/125015]
M. Im, H. Im, J. H. Lee, J. B. Yoon, and Y. K. Choi, “A robust superhydrophobic and superoleophobic surface with inverse-trapezoidal microstructures on a large transparent flexible substrate” Soft Matter, Vol. 6, No. 7, pp. 1401, 2010 [https://doi.org/10.1039/b925970h]
H. Mekaru, “Performance of SU-8 Membrane Suitable for Deep X-Ray Grayscale Lithography” Micromachines, Vol. 6, No. 2, pp. 252-265, 2015. [https://doi.org/10.3390/mi6020252]
B. H. Jo, L. M. Van Lerberghe, K. M. Motsegood, and D. J. Beebe, “Three-dimensional micro-channel fabrication in polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer” J. Microelectromech. Syst., Vol. 9, No. 1, pp. 76-81, 2000. [https://doi.org/10.1109/84.825780]